(57)【要約】【課題】小型化且つ軽量化を図るとともに、外部からの衝撃荷重を確実に受けることができ、シール性及び絶縁性を良好に確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２を積層して構成される。燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂが一対の締め付け部材５０ａ、５０ｂに固定されるとともに、前記一対の締め付け部材５０ａと前記一対の締め付け部材５０ｂとは、積層体１４の外方に配置される一対の連結部材５２により結合されている。締め付け部材５０ａ、５０ｂには、積層体１４の互いに対向する一対の面が直接当接している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の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、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
一方の前記エンドプレートの互いに対向する一対の辺と、他方の前記エンドプレートの互いに対向し且つ前記一対の辺と同一側の一対の辺とには、一対の締め付け部材の両端が固定され、
前記一対の締め付け部材には、前記積層体の互いに対向する一対の面が当接するとともに、
前記一対の締め付け部材は、前記積層体の外方に配置される連結部材により結合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、前記連結部材は、前記締め付け部材に対してリンク機構により結合され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、前記連結部材は、それぞれ複数の連結体を備えるとともに、
各連結部材を構成する前記連結体同士は、揺動防止部材により互いに固定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、電解質の両側に一対の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、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に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電解質膜（電解質）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（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、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配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載されている。
【０００４】
この燃料電池スタックでは、複数の発電セルが積層されているため、積層方向に交差する方向から衝撃等が付与された際、積層形状の変形が発生し易い。その際、変形により発電セルが他の部品に干渉すると、セパレータのシール機能や絶縁機能が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタック用挟持部材が知られている。特許文献１では、図９に示すように、挟持部材１は、２枚以上の燃料電池セル２が重ね合わせられた燃料電池セル群２ａと、板状の電極３とを挟持している。この挟持部材１は、燃料電池セル群２ａと電極３とを挟持して締結するための締結荷重を前記電極３に伝達する第１支持面４と、前記第１支持面４と交差するように配設され、前記電極３を支持する第２支持面５、６とを備えている。
【０００６】
これにより、燃料電池スタックに衝撃が加わった場合でも、燃料電池セル２と電極３、挟持部材１との間のズレを抑制する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２３４９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の燃料電池スタックでは、挟持部材１の外方にエンドプレート７が積層されるとともに、一対の前記エンドプレート７同士は、テンションプレート８により締結されている。
【０００９】
しかしながら、燃料電池スタックに積層方向に直交する方向に比較的大きな衝撃が付与された際、燃料電池セル２がテンションプレート８に衝突するとともに、前記テンションプレート８を変形させるおそれがある。これにより、燃料電池セル群２ａの積層形状が大きく変形してしまい、セパレータのシール機能や絶縁機能が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、小型化且つ軽量化を図るとともに、外部からの衝撃荷重を確実に受けることができ、シール性及び絶縁性を良好に確保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】
【００１１】
本発明は、電解質の両側に一対の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、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に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ものである。
【００１２】
この燃料電池スタックでは、一方のエンドプレートの互いに対向する一対の辺と、他方の前記エンドプレートの互いに対向し且つ前記一対の辺と同一側の一対の辺とには、一対の締め付け部材の両端が固定されている。そして、一対の締め付け部材には、積層体の互いに対向する一対の面が当接するとともに、前記一対の締め付け部材は、前記積層体の外方に配置される連結部材により結合されている。
【００１３】
また、この燃料電池スタックでは、連結部材は、締め付け部材に対してリンク機構により結合されることが好ましい。
【００１４】
さらに、この燃料電池スタックでは、連結部材は、それぞれ複数の連結体を備えるとともに、各連結部材を構成する前記連結体同士は、揺動防止部材により互いに固定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、一対のエンドプレートが一対の締め付け部材により固定されるとともに、前記一対の締め付け部材は、積層体の外方に配置される連結部材により結合されている。このため、燃料電池スタックに積層方向に交差する方向に衝撃荷重が付与される際、連結部材による補強作用下に、締め付け部材の変形が抑制される。
【００１６】
従って、外部からの衝撃荷重を締め付け部材により確実に受けることができ、シール性及び絶縁性を良好に確保することが可能になる。しかも、締め付け部材自体の剛性を高める必要がなく、前記締め付け部材を有効に小型化及び軽量化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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一部断面平面説明図である。
【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】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【図５】本発明の第２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６】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【図８】本発明の第３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９】特許文献１に開示されている燃料電池スタック用挟持部材の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、複数の発電セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。
【００１９】
図３に示すように、各発電セル１２は、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セパレータ２４及び第２セパレータ２６とを備える。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、金属セパレータを使用してもよい。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６間には、電解質膜・電極構造体２２を収容してガスケット２７が介装される。
【００２０】
発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、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（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、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排出連通孔３２ｂが設けられる。
【００２１】
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供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。
【００２２】
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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。
【００２３】
アノード側電極３６及びカソード側電極３８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（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。
【００２４】
第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に対向する面２４ａに燃料ガス流路４０を設ける。燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。
【００２５】
第２セパレータ２６には、電解質膜・電極構造体２２に対向する面２６ａに酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。第２セパレータ２６の面２６ｂは、平坦状に構成される。
【００２６】
図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａの互いに対向する一対の辺４６ａ、４６ｂと、エンドプレート２０ｂの互いに対向し且つ前記一対の辺４６ａ、４６ｂと同一側の一対の辺４８ａ、４８ｂとには、それぞれ、例えば、一対の締め付け部材５０ａ、５０ｂの両端が固定される。締め付け部材５０ａ、５０ｂは、それぞれ１つでもよく、また、それぞれ３つ以上でもよい。一対の締め付け部材５０ａの両端は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの辺４６ａ、４８ａにねじ止め等により固定されるとともに、一対の締め付け部材５０ｂの両端は、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの辺４６ｂ、４８ｂにねじ止め等により固定される。
【００２７】
それぞれ一対の締め付け部材５０ａ、５０ｂは、長尺板状を有しており、前記締め付け部材５０ａ、５０ｂには、積層体１４の互いに対向する一対の面が直接当接する（図２参照）。なお、締め付け部材５０ａ、５０ｂは、平板状の他、棒状等の種々の形状に設定することができる。また、以下に説明する他の締め付け部材も同様である。
【００２８】
一対の締め付け部材５０ａと一対の締め付け部材５０ｂとは、積層体１４の外方に配置される一対の連結部材５２により結合される。各締め付け部材５０ａ、５０ｂの長さ方向（矢印Ａ方向）の略中央部には、それぞれ筒状部５４ａ、５４ｂが固着される。各連結部材５２は、筒状部５４ａ、５４ｂに挿入されるピン５６ａ、５６ｂと、前記ピン５６ａ、５６ｂが両端に挿入される連結体（棒状部）５８とを備え、これらによりリンク機構が構成される。
【００２９】
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。
【００３０】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される一方、燃料ガスは、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、燃料電池スタック１０の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。
【００３１】
燃料電池スタック１０内では、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。
【００３２】
従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６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。
【００３３】
次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動した後、エンドプレート２０ａに排出される。
【００３４】
また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに移動し、エンドプレート２０ａに排出されて循環使用される。
【００３５】
この場合、第１の実施形態では、図１、図２及び図４に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂがそれぞれ一対の締め付け部材５０ａ、５０ｂにより固定されるとともに、前記一対の締め付け部材５０ａと前記一対の締め付け部材５０ｂとは、積層体１４の外方に配置される一対の連結部材５２により結合されている。
【００３６】
このため、例えば、図２に示すように、燃料電池スタック１０に積層方向に交差する方向（矢印Ｘ方向）に衝撃荷重が付与された際、一対の連結部材５２による補強作用下に、締め付け部材５０ａ、５０ｂの変形が抑制される。さらに、締め付け部材５０ａ、５０ｂには、積層体１４の互いに対向する一対の面が、例えば、絶縁部材（図示せず）を介装して当接している。
【００３７】
従って、外部からの衝撃荷重を締め付け部材５０ａ、５０ｂにより確実に受けることができ、特に第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６のシール性及び絶縁性を良好に確保することが可能になる。しかも、締め付け部材５０ａ、５０ｂ自体の剛性を高める必要がなく、前記締め付け部材５０ａ、５０ｂを有効に小型化及び軽量化させることができるという効果が得られる。
【００３８】
さらに、各連結部材５２は、締め付け部材５０ａ、５０ｂに対してリンク機構を介して連結されている。これにより、締め付け部材５０ａ、５０ｂが変形しても、例えば、前記締め付け部材５０ａ、５０ｂと筒状部５４ａ、５４ｂとの間の溶接部位における剥離等の不具合が発生することがなく、良好に使用することが可能になる。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の斜視説明図である。
【００４０】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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。
【００４１】
図５〜図７に示すように、エンドプレート２０ａの互いに対向する一対の辺４６ａ、４６ｂと、エンドプレート２０ｂの互いに対向し且つ前記一対の辺４６ａ、４６ｂと同一側の一対の辺４８ａ、４８ｂとには、それぞれ締め付け部材７２ａ、７２ｂの両端が固定される。締め付け部材７２ａの両端は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの辺４６ａ、４８ａの略中央にねじ止め等により固定されるとともに、締め付け部材７２ｂの両端は、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの辺４６ｂ、４８ｂにねじ止め等により固定される。
【００４２】
一対の締め付け部材７２ａ、７２ｂは、長尺板状を有しており、前記締め付け部材７２ａ、７２ｂには、積層体１４の互いに対向する一対の面が当接する（図６参照）。
【００４３】
締め付け部材７２ａと締め付け部材７２ｂとは、積層体１４の外方に配置されるそれぞれ一対の連結部材７４ａ、７４ｂにより結合される。締め付け部材７２ａ、７２ｂの長さ方向（矢印Ａ方向）の所定の位置（例えば、略３等分した位置）には、それぞれ２つ（一対）の筒状部７６ａ、７６ｂが固着される。
【００４４】
各筒状部７６ａ、７６ｂには、ピン７８ａ、７８ｂが挿入されてリンク機構が構成されるとともに、前記ピン７８ａ、７８ｂは、矢印Ｃ方向に対し積層体１４の外方に突出する。ピン７８ａ、７８ｂが両端に挿入される各連結体（棒状部）８０ａ、８０ｂは、矢印Ｂ方向に延在する。連結部材７４ａは、連結体８０ａがピン７８ａ、７８ｂを介して筒状部７６ａ、７６ｂに連結されるとともに、連結部材７４ｂは、連結体８０ｂがピン７８ａ、７８ｂを介して筒状部７６ａ、７６ｂに連結される。
【００４５】
連結体８０ａ、８０ｂ同士は、揺動防止部材８２により互いに固定される。この揺動防止部材８２は、板状を有しており、連結体８０ａ、８０ｂに溶接等により一体に固着され、積層体１４の矢印Ｃ方向の揺動を防止する機能を有する。
【００４６】
このように構成される第２の実施形態では、連結部材７４ａ、７４ｂによる補強作用下に、締め付け部材７２ａ、７２ｂの変形が抑制されるとともに、前記締め付け部材７２ａ、７２ｂを有効に小型化及び軽量化させることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
しかも、揺動防止部材８２が用いられることにより、積層体１４の矢印Ｃ方向の揺動をも良好に防止することが可能になる。
【００４８】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の斜視説明図である。
【００４９】
燃料電池スタック９０では、実質的に、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一対の締め付け部材５０ａ、５０ｂを用いるとともに、前記一対の締め付け部材５０ａと前記一対の締め付け部材５０ｂとは、積層体１４の外方に配置される連結部材９２により結合されている。連結部材９２は、バンド部材であり、積層体１４と締め付け部材５０ａ、５０ｂとを一体に締め付け保持している。
【００５０】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一対の締め付け部材５０ａ、５０ｂに代えて、第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の締め付け部材７２ａ、７２ｂを用いてもよい。
【００５１】
これにより、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とともに、構成が一層簡素化されて経済的であるという利点がある。
【符号の説明】
【００５２】
１０、７０、９０…燃料電池スタック  １２…発電セル
１４…積層体                        ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体          ２４、２６…セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔          ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔          ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜            ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極                ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路                  ４４…酸化剤ガス流路
４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ…辺
５０ａ、５０ｂ、７２ａ、７２ｂ…締め付け部材
５２、７４ａ、７４ｂ、９２…連結部材
５４ａ、５４ｂ、７６ａ、７６ｂ…筒状部
５６ａ、５６ｂ、７８ａ、７８ｂ…ピン
５８、８０ａ、８０ｂ…連結体        ８２…揺動防止部材
【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】
2012182062.tif 000009
【図８】
2012182062.tif 000010
【図９】
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