(57)【要約】【課題】樹脂製マニホールド部材を良好にシールするとともに、マウント部材の簡素化及び軽量化を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２４ａには、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口マニホールド５０ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールド５０ｂとが、一体成形される。冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの端部には、蓋部材５８ａ、５８ｂが装着されるとともに、エンドプレート２４ａには、マウント部材１５ａが固定される。マウント部材１５ａには、蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部８２ａ、８２ｂが一体に設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、エンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が形成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には、前記連通孔に連通する樹脂製マニホールド部材と、
前記燃料電池スタックを設置部位に装着するためのマウント部材と、
が設けられるとともに、
前記マウント部材は、前記樹脂製マニホールド部材の少なくとも一方の開口端部に装着される蓋部材を保持するためのブラケット部を、一体に備え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、一方の前記エンドプレートは、縦長形状を有し、
一方の前記エンドプレートの下部側に前記マウント部材が固定されるとともに、
前記ブラケット部は、前記樹脂製マニホールド部材の長手方向の下部側開口端部に装着された前記蓋部材を保持す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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、エンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が形成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・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。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、積層方向両端にエンドプレートが配設された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、発電セル間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
その際、例えば、積層方向一端に配設されるエンドプレートには、少なくとも燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔、及び前記酸化剤ガス流路から使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔が形成されている。また、例えば、積層方向他端に配設されるエンドプレートには、冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔、及び前記冷却媒体流路から使用済みの冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔が形成されている。
【０００５】
そこで、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図８に示すように、複数の単セル１が積層されるとともに、積層方向両端には、フロントプレート２とリアプレート３とが配置されている。フロントプレート２とリアプレート３とは、ボルト４により締結されている。フロントプレート２には、合成樹脂製の冷媒供給マニホールド５ａ及び冷媒排出マニホールド５ｂが成形されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２７３４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の冷媒供給マニホールド５ａ及び冷媒排出マニホールド５ｂは、通常、射出成形されるため、長手方向両端に開口部が形成されている。従って、各開口部は、蓋部材により閉塞されるとともに、前記蓋部材は、フロントプレート２に固定されたブラケット部材により閉塞位置に保持されている。
【０００８】
一方、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合が多い。このため、フロントプレート２には、燃料電池スタックを車体内の設置部位に装着するためのマウント部材が取り付けられている。
【０００９】
しかしながら、フロントプレート２にブラケット部材及びマウント部材が取り付けられるため、相互のレイアウトの干渉を回避する必要がある。従って、例えば、マウント部材の形状が複雑化するとともに、前記マウント部材が重量物となり、しかもコストが高騰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、樹脂製マニホールド部材を良好にシールするとともに、マウント部材の簡素化及び軽量化を図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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、エンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が形成される燃料電池スタックに関するものである。
【００１２】
一方のエンドプレートには、連通孔に連通する樹脂製マニホールド部材と、燃料電池スタックを設置部位に装着するためのマウント部材とが設けられるとともに、前記マウント部材は、前記樹脂製マニホールド部材の少なくとも一方の開口端部に装着される蓋部材を保持するためのブラケット部を、一体に備えている。
【００１３】
また、一方のエンドプレートは、縦長形状を有し、一方の前記エンドプレートの下部側にマウント部材が固定されるとともに、ブラケット部は、樹脂製マニホールド部材の長手方向の下部側開口端部に装着された前記蓋部材を保持することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池スタックを設置部位に装着するマウント部材に、蓋部材を保持するためのブラケット部が一体に設けられている。このため、マウント部材とブラケット部とを個別に構成する場合に比べ、部品数が削減されるとともに、前記マウント部材自体が有効に簡素化且つ軽量化される。しかも、製造コストが良好に削減され、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０が搭載される車両１２の側面説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、車両１２の車長方向（矢印Ｌ方向）略中央部に位置して、例えば、センターコンソール１４内に配置される。この燃料電池スタック１０は、図２に示すように、マウント部材１５ａ、１５ｂを介してセンターコンソール１４内の設置部位に装着される。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを有する単位セル（燃料電池）２１備え、前記単位セル２１が矢印Ａ方向に積層されて構成される。第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、カーボンセパレータにより構成されているが、金属セパレータを用いてもよい。
【００１８】
図２に示すように、単位セル２１の積層方向両端には、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂ、絶縁プレート２３ａ、２３ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート２４ａ、２４ｂは、例えば、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属で構成される。
【００１９】
燃料電池スタック１０では、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂが、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２５により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２４ａ、２４ｂ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してもよい。
【００２０】
図３に示すように、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。
【００２１】
単位セル２１の長辺方向の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが設けられる。
【００２２】
単位セル２１の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂ、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２６ｂが設けられる。
【００２３】
単位セル２１の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための４つの冷却媒体供給連通孔３０ａが設けられるとともに、前記単位セル２１の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための４つの冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１６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を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。
【００２５】
カソード側電極３６及びアノード側電極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３４の両面に形成される。
【００２６】
第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路４０が形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する。
【００２７】
第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向に延在する。
【００２８】
第２セパレータ２０の面２０ｂと、第１セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する。
【００２９】
電解質膜・電極構造体１６と第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０との間、並びに互いに隣接する前記第１セパレータ１８と前記第２セパレータ２０との間（隣接する単位セル２１間）には、図示しないが、シール部材が配設される。
【００３０】
図２及び図４に示すように、エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、各冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口マニホールド５０ａと、各冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールド５０ｂとが、一体成形される。冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂは、樹脂製マニホールド部材であり、それぞれの中央部に管路５２ａ、５２ｂを一体に設けている。
【００３１】
エンドプレート２４ｂの上下両端縁部には、図示しないが、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド、燃料ガス供給連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド、及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールドが、一体成形される。
【００３２】
冷却媒体入口マニホールド５０ａは、図４に示すように、複数の冷却媒体供給連通孔３０ａに一体に連通し、長辺方向に沿って延在する単一のマニホールド室５４ａを有する。冷却媒体入口マニホールド５０ａの長手方向両端には、マニホールド室５４ａを外部に開放する開口端部５６ａが設けられ、前記開口端部５６ａには、蓋部材（プラグ）５８ａがシール６０ａを介装して装着される（図４及び図５参照）。なお、冷却媒体入口マニホールド５０ａの長手方向下端は、縮径しており、下端に装着される蓋部材５８ａは、上端に装着される蓋部材５８ａよりも小径に構成される。
【００３３】
冷却媒体出口マニホールド５０ｂは、上記の冷却媒体入口マニホールド５０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号にｂを付して、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
図２に示すように、エンドプレート２４ａには、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向の一方の端部（上端部）に装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する上側ブラケット部材６２ａが、一対のボルト６４を介して固定される。
【００３５】
上側ブラケット部材６２ａは、冷却媒体入口マニホールド５０ａの蓋部材５８ａを保持する保持板部６８ａと、冷却媒体出口マニホールド５０ｂの蓋部材５８ｂを保持する保持板部６８ｂとを備える。保持板部６８ａ、６８ｂは、橋架板部７０を介して一体に連結されるとともに、補強板部７２ａ、７２ｂが屈曲形成される。保持板部６８ａ、６８ｂは、蓋部材５８ａ、５８ｂに設けられたボス部７４ａ、７４ｂが挿入される開口部７６ａ、７６ｂを有する。
【００３６】
エンドプレート２４ａには、マウント部材１５ａがボルト７８を介して固定される。このマウント部材１５ａは、燃料電池スタック１０を設置部位にボルト７９を介して装着するための取り付け部８０を設ける。
【００３７】
マウント部材１５ａには、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向の他方の端部（下端部）に装着された蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部８２ａ、８２ｂが、一体に設けられる。下側ブラケット部８２ａ、８２ｂは、円柱形状を有するとともに、蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する上端面には、前記蓋部材５８ａ、５８ｂのボス部７４ａ、７４ｂを挿入する凹部８４ａ、８４ｂが形成される。
【００３８】
なお、マウント部材１５ｂは、下側ブラケット部８２ａ、８２ｂを有していないが、基本的には上記のマウント部材１５ａと同様に構成されており、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。
【００３９】
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。
【００４０】
先ず、図２に示すように、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２４ｂ側から酸素含有ガス等の酸化剤ガスと、水素含有ガス等の燃料ガスとが供給される一方、エンドプレート２４ａ側から冷却媒体入口マニホールド５０ａを介して純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４１】
図３に示すように、酸化剤ガスは、各単位セル２１を構成する酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３６に沿って鉛直下方向に移動する。
【００４２】
一方、燃料ガスは、各単位セル２１を構成する燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３８に沿って鉛直下方向に移動する。
【００４３】
上記のように、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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。
【００４４】
次いで、カソード側電極３６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２６ｂからエンドプレート２４ｂ側に排出される（図２参照）。同様に、アノード側電極３８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２８ｂからエンドプレート２４ｂ側に排出される。
【００４５】
また、冷却媒体は、図４に示すように、冷却媒体入口マニホールド５０ａ内のマニホールド室５４ａに供給された後、４つの冷却媒体供給連通孔３０ａに分流される。各冷却媒体供給連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、図３に示すように、第１及び第２セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路４４に導入される。
【００４６】
冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動し、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂから冷却媒体出口マニホールド５０ｂ内のマニホールド室５４ｂに排出される（図４参照）。
【００４７】
この場合、図２に示すように、エンドプレート２４ａ、２４ｂにマウント部材１５ａ、１５ｂが固定されている。そして、マウント部材１５ａ、１５ｂに設けられた取り付け部８０及びボルト７９を介して、燃料電池スタック１０がセンターコンソール１４内の設置部位に装着されている。
【００４８】
ここで、第１の実施形態では、図２、図４及び図５に示すように、マウント部材１５ａには、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向下端部に装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部８２ａ、８２ｂが、一体に設けられている。
【００４９】
これにより、マウント部材とブラケット部とを個別に構成する場合に比べ、部品数が削減されるとともに、マウント部材１５ａ自体が有効に簡素化且つ軽量化されるという効果が得られる。しかも、マウント部材１５ａの製造コストが良好に削減され、燃料電池スタック１０全体を経済的に構成することができる。
【００５０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０のエンドプレート２４ａ側からの一部正面説明図である。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、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
エンドプレート２４ａには、マウント部材９２が固定される。このマウント部材９２には、蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部９４ａ、９４ｂが一体に設けられるとともに、前記下側ブラケット部９４ａ、９４ｂには、円錐状先端部９６ａ、９６ｂが形成される。
【００５２】
このように構成される第２の実施形態では、下側ブラケット部９４ａ、９４ｂの円錐状先端部９６ａ、９６ｂにより、蓋部材５８ａ、５８ｂが保持されてる。従って、例えば、外部からの衝撃によりエンドプレート２４ａとマウント部材９２とに相対的な傾きの変化が発生しても、良好に吸収することができるという効果が得られる。
【００５３】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００のエンドプレート２４ａ側からの一部正面説明図である。
【００５４】
エンドプレート２４ａには、マウント部材１０２が固定される。このマウント部材１０２には、蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部１０４ａ、１０４ｂが一体に設けられるとともに、前記下側ブラケット部１０４ａ、１０４ｂの先端には、ゴム等の緩衝部材１０６ａ、１０６ｂが装着される。
【００５５】
このように構成される第３の実施形態では、下側ブラケット部１０４ａ、１０４ｂの先端に設けられた緩衝部材１０６ａ、１０６ｂにより、蓋部材５８ａ、５８ｂが保持されている。これにより、例えば、エンドプレート２４ａとマウント部材１０２との相対的な傾き変化を、良好に吸収することができるという効果が得られる。
【００５６】
なお、第１〜第３の実施形態では、冷却媒体用マニホールド側について説明したが、燃料ガスや酸化剤ガスである反応ガス側マニホールドにも、同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される車両の側面説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解概略斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成するエンドプレート及び冷却媒体入口マニホールドの断面説明図である。
【図５】冷却媒体入口マニホールドと上側ブラケット部材及びマウント部材との分解斜視説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレート側からの一部正面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレート側からの一部正面説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池の一部斜視説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、９０、１００…燃料電池スタック
１２…車両                          １４…センターコンソール
１５ａ、１５ｂ、９２、１０２…マウント部材
１６…電解質膜・電極構造体          １８、２０…セパレータ
２１…単位セル                      ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…燃料ガス供給連通孔          ２８ｂ…燃料ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔          ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜            ３６…カソード側電極
３８…アノード側電極                ４０…酸化剤ガス流路
４２…燃料ガス流路                  ４４…冷却媒体流路
５０ａ…冷却媒体入口マニホールド    ５０ｂ…冷却媒体出口マニホールド
５８ａ、５８ｂ…蓋部材              ６２ａ…上側ブラケット部材
８２ａ、８２ｂ、９４ａ、９４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ…下側ブラケット
９６ａ、９６ｂ…円錐状先端部        １０６ａ、１０６ｂ…緩衝部材
【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】
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【図８】
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