(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに使われる流体の気密性を充分に確保することができ、構造的安全性及び電気的安全性を有する燃料電池スタック構造を提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池スタック構造は、膜電極アセンブリ及び分離板からなる燃料電池セルと、一列に重畳した前記燃料電池セルの両側に備えられた集電板と、前記集電板の外側に、前記集電板と同じ形状にそれぞれ備えられる絶縁板と、前記絶縁板の外側に備えられ、外側面に複数の補強リブが形成されたエンドプレートと、前記二つのエンドプレート間を連結して固定支持する複数の固定バンドとを含んで構成される単位モジュールと；複数の前記単位モジュールに水素、空気及び冷却水を供給するように形成された共用分配器と；前記複数の単位モジュール間を電気的に連結するブスバーと；を含んでなることを特徴とする。【選択図】図２
2007165286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリ及び分離板からなる燃料電池セルと、一列に重畳した前記燃料電池セルの両側に備えられた集電板と、前記集電板の外側に、前記集電板と同じ形状にそれぞれ備えられる絶縁板と、前記絶縁板の外側に備えられ、外側面に複数の補強リブが形成されたエンドプレートと、前記二つのエンドプレート間を連結して固定支持する複数の固定バンドとを含んで構成される単位モジュールと、
複数の前記単位モジュールに水素、空気及び冷却水を供給するように形成された共用分配器と、
前記複数の単位モジュール間を電気的に連結するブスバーと、
を含んでなることを特徴とする燃料電池スタック構造。
【請求項２】
前記単位モジュールの一側に位置する前記エンドプレートと絶縁板及び集電板は、それぞれの両側に流体の通路を形成するための交通孔が形成され、前記単位モジュールの他側に位置する前記エンドプレートと絶縁板及び集電板は、前記交通孔に対応する部分が塞がることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項３】
前記固定バンドは、
エンドプレートの外側を取り囲むように重なり、複数の締結孔を備える両端のバンドヘッドと、
前記バンドヘッドの外側に重なり、前記締結孔に挿入されるとともに内部にボルト通過ホールを備えた遮断ボスが一体に形成された絶縁材の遮断体と、
を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項４】
前記固定バンドのバンドヘッドと前記バンドヘッドを連結するバンド中間部とは表面が絶縁材でコーティングされることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項５】
前記集電板は、前記単位モジュールの側面に突出するように電流引出部が一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項６】
前記ブスバーは、長棒の両端が一側に折り曲げられた形状に形成された両端のブスバーヘッドと、前記ブスバーヘッドを連結するブスバー中間部とからなり、前記ブスバー中間部は２部分に分離され、分離された部分が互いに重なった状態で連結ボルトによって結合するようになっており、前記ブスバーヘッドの外側には、絶縁体からなる絶縁カバーが備えられ、前記ブスバー中間部には絶縁材がコーティングされてなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項７】
前記エンドプレートは、前記共用分配器との結合のために、モジュール結合ボルトが通過するボルト孔が複数備えられたものと、前記モジュール結合ボルトが締結されるナットが内部に挿入されたものとの２種が前記共用分配器を中心として互いに対向するように取り付けられ、前記ボルト孔が形成されたエンドプレートには、ボルトヘッドが内側に挿入されてエンドプレートと接触することを遮断するために前記エンドプレート内に挿入されるボルトヘッドカバーが備えられ、前記ナットが内部に挿入されたエンドプレートには、前記ナットとエンドプレート間の接触を遮断するために、ナットの外側を取り囲むナットカバーが挿入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項８】
前記共用分配器には、前記エンドプレートと対向する面に、流体流通部の気密を維持するためにガスケットが備えられ、前記ガスケットが挿入される共用分配器のガスケット溝は、モジュール結合ボルトが貫通する部位に近い部分が遠い部分より共用分配器の表面から深く形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項９】
上下に重畳した前記単位モジュール間には、前記固定バンドを収容するための凹凸部が両方面に形成された両凹凸絶縁板が備えられ、前記単位モジュールの上側面と下側面にはそれぞれ単位モジュールに向かう面に前記固定バンドを収容するための凹凸部が備えられた片凹凸絶縁板が備えられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【請求項１０】
前記単位モジュールの共用分配器に連結された側の反対側のエンドプレート外側には、外部との絶縁のためのカバー絶縁板が備えられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタック構造に係り、より詳しくは車両に搭載され、空気、水素及び冷却水を受けて電気エネルギーを生産する燃料電池スタックの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックには、空気、水素及び冷却水が持続的に供給されなければならないので、前記のような流体の気密性を充分に確保しなければならないことはもちろん、構造的安全性及び電気的安全性を共に備えていなければいけない。
【特許文献１】特開２００５−３２２５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、燃料電池スタックに使われる流体の気密性を充分に確保することができ、構造的安全性及び電気的安全性を共に備えた燃料電池スタック構造を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記のような目的を達成するための本発明の燃料電池スタック構造は、膜電極アセンブリ及び分離板からなる燃料電池セルと、一列に重畳した前記燃料電池セルの両側に備えられた集電板と、前記集電板の外側に、前記集電板と同じ形状にそれぞれ備えられる絶縁板と、前記絶縁板の外側に備えられ、外側面に複数の補強リブが形成されたエンドプレートと、前記二つのエンドプレート間を連結して固定支持する複数の固定バンドとを含んで構成される単位モジュールと、複数の前記単位モジュールに水素、空気及び冷却水を供給するように形成された共用分配器と、前記複数の単位モジュール間を電気的に連結するブスバーと、を含んでなることを特徴とする。
【０００５】
前記単位モジュールの一側に位置する前記エンドプレートと絶縁板及び集電板は、それぞれの両側に流体の通路を形成するための交通孔が形成され、前記単位モジュールの他側に位置する前記エンドプレートと絶縁板及び集電板は、前記交通孔に対応する部分が塞がることを特徴とする。
【０００６】
前記固定バンドは、エンドプレートの外側を取り囲むように重なり、複数の締結孔を備える両端のバンドヘッドと；前記バンドヘッドの外側に重なり、前記締結孔に挿入されるとともに内部にボルト通過ホールを備えた遮断ボスが一体に形成された絶縁材の遮断体と；を含んでなり、前記固定バンドのバンドヘッドと前記バンドヘッドを連結するバンド中間部とは表面が絶縁材でコーティングされることを特徴とする。
【０００７】
前記集電板は、前記単位モジュールの側面に突出するように電流引出部が一体に形成され、前記ブスバーは、長棒の両端が一側に折り曲げられた形状に形成された両端のブスバーヘッドと、前記ブスバーヘッドを連結するブスバー中間部とからなり、前記ブスバー中間部は２部分に分離され、分離された部分が互いに重なった状態で連結ボルトによって結合するようになっており、前記ブスバーヘッドの外側には、絶縁体からなる絶縁カバーが備えられ、前記ブスバー中間部には絶縁材がコーティングされてなることを特徴とする。
【０００８】
前記エンドプレートは、前記共用分配器との結合のために、モジュール結合ボルトが通過するボルト孔が複数備えられたものと、前記モジュール結合ボルトが締結されるナットが内部に挿入されたものとの２種が前記共用分配器を中心として互いに対向するように取り付けられ、前記ボルト孔が形成されたエンドプレートには、ボルトヘッドが内側に挿入されてエンドプレートと接触することを遮断するために前記エンドプレート内に挿入されるボルトヘッドカバーが備えられ、前記ナットが内部に挿入されたエンドプレートには、前記ナットとエンドプレート間の接触を遮断するために、ナットの外側を取り囲むナットカバーが挿入されることを特徴とする。
【０００９】
前記共用分配器には、前記エンドプレートと対向する面に、流体流通部の気密を維持するためにガスケットが備えられ、前記ガスケットが挿入される共用分配器のガスケット溝は、モジュール結合ボルトが貫通する部位に近い部分が遠い部分より共用分配器の表面から深く形成されることを特徴とする。
【００１０】
上下に重畳した前記単位モジュール間には、前記固定バンドを収容するための凹凸部が両方面に形成された両凹凸絶縁板が備えられ、前記単位モジュールの上側面と下側面にはそれぞれ単位モジュールに向かう面に前記固定バンドを収容するための凹凸部が備えられた片凹凸絶縁板が備えられ、前記単位モジュールの共用分配器に連結された側の反対側のエンドプレート外側には、外部との絶縁のためのカバー絶縁板が備えられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックに使われる流体の気密性を充分に確保することができ、構造的安全性及び電気的安全性を共に備えた燃料電池スタック構造にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。
【実施例】
【００１３】
図１〜図３に示す通り、本発明の実施例は、膜電極アセンブリ１及び分離板３からなる燃料電池セル５と、一列に重畳させた前記燃料電池セル５の両側に備えられた集電板７と、前記集電板７の外側に、前記集電板７と同じ形状にそれぞれ備えられる絶縁板９と、前記絶縁板９の外側に備えられ、外側面に複数の補強リブ１１が形成されたエンドプレート１３と、前記２枚のエンドプレート１３間を連結して固定及び支持する複数の固定バンド１５とを含んでなる単位モジュール１７と、前記複数の単位モジュール１７に水素、空気及び冷却水を供給するように形成された共用分配器１９と、前記複数の単位モジュール１７間を電気的に連結するブスバー２１とを含んで構成される。
【００１４】
絶縁板９を集電板７と同じ形状に形成したのは、集電板７から外部へ電気的漏洩が生ずるのをまったく遮断するためである。
エンドプレート１３の外側面に備えられた複数の補強リブ１１は、エンドプレート１３に加えられる固定バンド１５からの荷重が均等に燃料電池セル５に作用するようにして、分離板３が割れないようにし、また、各燃料電池セル５の面圧差による性能偏差などが発生しないようにする役目を有する。
【００１５】
単位モジュール１７の一側に位置するエンドプレート１３と絶縁板９及び集電板７は、それぞれの両側に流体（水素、空気、冷却水）の通路を形成するための交通孔２３が形成され、単位モジュール１７の他側に位置するエンドプレート１３と絶縁板９及び集電板７は交通孔２３に対応する部分が塞がった構造である。
【００１６】
また、膜電極アセンブリ１と分離板３は、交通孔２３を通じて供給される流体を流通させるために、交通孔２３に対応する孔を備え、重畳した最後の燃料電池セル５を形成する分離板３にだけ、交通孔２３に対応する孔が備えられていない構造となっている。
参考として、図３には一つの燃料電池セル５のみを示した。
【００１７】
共用分配器１９から供給された流体はエンドプレート１３と絶縁板９及び集電板７の一側を通過して各燃料電池セル５に供給され、燃料電池セル５の他側からエンドプレート１３と絶縁板９及び集電板７の他側を通じて排出される。
固定バンド１５は、図４に示すように、両端にエンドプレート１３の外側を取り囲むように重なり、複数の締結孔２５を備えたバンドヘッド２７と；バンドヘッド２７の外側に重なり、締結孔２５に挿入され、内部にボルト通過ホール２９を備えた遮断ボス３１が一体に形成された絶縁材の遮断体３３とを含んで構成される。
【００１８】
固定バンド１５のバンドヘッド２７とバンドヘッド２７を連結するバンド中間部３５とは表面が絶縁材でコーティングされる。
したがって、固定バンド１５は、単位モジュール１７を構成する燃料電池セル５に対する電気的絶縁状態を確実にするとともに、エンドプレート１３を通じて燃料電池セル５を単一構造体に結束する力を提供することができる。
特に、固定バンド１５のバンドヘッド２７はバンドボルト３７によってエンドプレート１３に結合され、遮断体３３によってエンドプレート１３と固定バンド１５間の電気的絶縁状態を確実にする。
【００１９】
すなわち、バンドボルト３７はバンドヘッド２７の締結孔２５とは直接接触しないため、バンドボルト３７締結作業時、バンドボルト３７を通じたエンドプレート１３との電気的連結を根本的に防止するようにしたものである。
集電板７は、単位モジュール１７の側面に突出するように、電流引出部３９が一体に形成されている。
これは、各単位モジュール１７の間をブスバー２１で連結するためのものである。
【００２０】
ブスバー２１は、図５に示すように、長棒の両端が一側に折り曲げられた形状に形成される両端のブスバーヘッド４１と、ブスバーヘッド４１を連結するブスバー中間部４３とからなり、ブスバー中間部４３は２つの部分に分離され、分離され部分が互いに重なった状態で連結ボルト４５によって結合され、ブスバーヘッド４１の外側には絶縁体からなる絶縁カバー４７が備えられ、ブスバー中間部４３には絶縁材がコーティングされている構造である。
【００２１】
ブスバー２１で単位モジュール１７間を電気的に連結することは、ブスバー中間部４３が２つの部分に分離された状態で、両方のブスバーヘッド４１をそれぞれ集電板７の電流引出部３９に固定し、ついで２つの部分に分離されたブスバー２１の中間部を互いに重なった状態で、連結ボルト４５で連結することになる。
前記のように、ブスバーヘッド４１をそれぞれ先に集電板７に結合することにより、集電板７とブスバー２１間の優れた電気的接触性を確保し、製作公差などをブスバー中間部４３で吸収するようにし、絶縁材コーティングと絶縁カバー４７は電気の外部漏出を安全に遮断するようにする。
【００２２】
図２及び図６に示す通り、エンドプレート１３は、共用分配器１９との結合のために、モジュール結合ボルト４９が通過するボルト孔５３が複数備えられたものと、モジュール結合ボルト４９が締結されるナット５１が内部に挿入されたものとの２種が共用分配器１９を中心として互いに対向するように設置される。
【００２３】
ボルト孔５３が形成されたエンドプレート１３には、ボルトヘッド５５が内側に挿入されてエンドプレート１３と接触するのを遮断するために、エンドプレート１３内に挿入されるボルトヘッドカバー５７が備えられ、ナット５１が内部に挿入されたエンドプレート１３には、ナット５１とエンドプレート１３の接触を遮断するために、ナット５１の外側を囲むナットカバー５９が挿入される。
【００２４】
したがって、モジュール結合ボルト４９によって二つの単位モジュール１７が共用分配器１９を介在して互いに強く結合された構造を有することになり、モジュール結合ボルト４９を通じて構造的結合力は互いに伝達されるが、電気的には、ボルトヘッドカバー５７とナットカバー５９によって、両方のエンドプレート１３がまったく絶縁された状態を確保することができる。
【００２５】
図７に示すように、共用分配器１９には、エンドプレート１３と対向する面に、流体流通部分の気密を維持するためにガスケット６１が備えられ、ガスケット６１が挿入される共用分配器１９のガスケット溝６３は、モジュール結合ボルト４９が貫通する部位に近い部分が遠い部分より共用分配器１９の表面から深く形成された構造である。
したがって、図７の上下左右で比較した通り、モジュール結合ボルト４９が締結された後に発生するエンドプレート１３の局部的微細変形によっても流体の漏出が発生せず、むしろ緊密な気密状態を確保することができる。
【００２６】
すなわち、図７の上側は従来の一般的な単純な構造を示すもので、モジュール結合ボルト４９の締結部位と無関係に一定深さのガスケット溝を有しているため、モジュール結合ボルト４９の締結後には、右上側に示すように、エンドプレート１３及びガスケット６１の変形によって流体の漏出が発生する状態であるが、本発明によれば、このようなエンドプレート１３の局部的変形を予め考慮して形成したガスケット溝６３の深さ差によって、モジュール結合ボルト４９の締結後に一層安定した流体気密状態を確保することができる。
【００２７】
もちろん、前記のようにガスケット溝６３の深さ差を設ける方法の外に、ガスケット溝の深さは一定にして、ガスケットの厚さを異にする方法も可能である。
図２、図８及び図９に示す通り、上下に重畳した単位モジュール１７間には、固定バンド１５を収容するための凹凸部６５が両面に形成された両凹凸絶縁板６７が備えられ、単位モジュール１７の上側面と下側面には、それぞれ単位モジュール１７に向かう面に、固定バンド１５を収容するための凹凸部６５が設けられた片凹凸絶縁板６９が備えられている。
凹凸部６５は、単純な平板の表面に絶縁体を突設してなる構造である。
【００２８】
また、単位モジュール１７の共用分配器１９に連結された側の反対側のエンドプレート１３の外側には、外部との絶縁のためのカバー絶縁板７１が備えられている。
したがって、単位モジュール１７は互いに電気的に絶縁されることはもちろん、外部とも電気的に安全に絶縁された構造を持つ。
参考として、図２の左側では、２枚のカバー絶縁板７１に形成された直列連結孔７３を通じて上下直列ブスバー７５が互いに連結されることにより、上側と下側の単位モジュール１７が互いに直列に連結されており、直列連結孔７３は孔カバー７７によって外部と遮断されるようになっている。
【００２９】
図２の右側は図１の右側に結合が完了した状態として示されている。ここで、上側単位モジュール１７と下側の単位モジュール１７にそれぞれ連結された端子プレート７９によって外部へ電力が引き出されるようになっており、共用分配器１９には、水素、空気及び冷却水の流出入孔８１が形成されている。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、燃料電池スタックに使われる流体の気密性を充分に確保し、構造的安全性及び電気的安全性を共に備えた燃料電池スタック構造に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による燃料電池スタックの外観を示す図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】各単位モジュールの構造を示す分解斜視図である。
【図４】固定バンドの構造を説明する図である。
【図５】ブスバーの構造を説明する図である。
【図６】モジュール締結ボルトとその関連部品を示す図である。
【図７】共用分配器と単位モジュール間のガスケット設置構造を従来と比較して説明する図である。
【図８】片凹凸絶縁板の構造を説明する図である。
【図９】両凹凸絶縁板の構造を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    膜電極アセンブリ
３    分離板
５    燃料電池セル
７    集電板
９    絶縁板
１１    補強リブ
１３    エンドプレート
１５    固定バンド
１７    単位モジュール
１９    共用分配器
２１    ブスバー
２３    交通孔
２５    締結孔
２７    バンドヘッド
２９    ボルト通過ホール
３１    遮断ボス
３３    遮断体
３５    バンド中間部
３７    バンドボルト
３９    電流引出部
４１    ブスバーヘッド
４３    ブスバー中間部
４５    連結ボルト
４７    絶縁カバー
４９    モジュール結合ボルト
５３    ボルト孔
５１    ナット
５５    ボルトヘッド
５７    ボルトヘッドカバー
５９    ナットカバー
６１    ガスケット
６３    ガスケット溝
６５    凹凸部
６７    両凹凸絶縁板
６９    片凹凸絶縁板
７１    カバー絶縁板
７３    直列連結孔
７５    上下直列ブスバー
７７    孔カバー
７９    端子プレート
８１    流出入孔
【図１】
2007165286.tif 000003
【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】
2007165286.tif 000009
【図８】
2007165286.tif 000010
【図９】
2007165286.tif 000011