JP6008202B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルを複数積層したセル積層体の両端にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックに関するものである。

一般に燃料電池スタックは、例えば、膜電極接合体、ガス拡散層、セパレータ等からなる燃料電池セルを複数積層して構成されるセル積層体を、一対のエンドプレートで挟持し、これらを締結具（例えばボルト及びナット）で締め付けることにより形成されている。各燃料電池セルに対しては、燃料ガス（例えば水素）、酸化ガス（例えば空気）、あるいは燃料電池セルの過加熱を防止するための冷却媒体（例えば冷却水）を供給する必要がある。このため、燃料電池セル積層体の両端部に配置されるエンドプレートは、上記ガス又は冷媒をスタック内に流通させるための出入口となるマニホールドを具備している。

このようなエンドプレートにあっては、ボルト等で強固に固定する必要があり、所定の締結力が及んでもプレート自体が機械的な変形や歪みを生じない程度に高強度であることが要求される。このため、エンドプレートは金属板を用いて形成されるのが通常である。

金属板のエンドプレートを用いた燃料電池スタックとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものが提案されている。下記特許文献１に記載された燃料電池スタックに用いられるエンドプレートは、チタン合金等で形成された複数の金属薄板を積層して構成される。複数の金属薄板を積層して構成することで、セル積層体の要求に応じて金属薄板の枚数を調整することができる。金属薄板の枚数を調整して、エンドプレートの板厚を増加させることにより、エンドプレートの曲げ強度や剛性を向上させることが可能となっている。

しかしながら、下記特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、要求される曲げ強度や剛性が大きいほど金属薄板の枚数が増加することとなるため、エンドプレートの重量が大きくなる。このため、燃料電池スタックを車両に搭載した場合に、車両衝突時の慣性衝撃力が増加し、燃料電池スタックの破損する可能性が高くなるという課題があった。

一方、下記特許文献２に記載の燃料電池スタック用エンドプレートでは、そのエンドプレートに用いる材料として、重量が大きい金属製の材料ではなく高強度の樹脂材料を選定し、エンドプレートの軽量化を図ったものが提案されている。

特開２００９−２６６４３１号公報 特開２００１−２３６９８２号公報

上記特許文献２に記載された燃料電池スタック用エンドプレートは、樹脂材料を用いているため、上記特許文献１に記載された金属板のエンドプレートによる重量の大きさの課題をある程度解消しているものと思われる。しかしながら、エンドプレートは面全体で高い圧力を継続して受けるため、エンドプレートを樹脂材料により成形した場合には、時間の経過とともに変形が増加していくクリープ現象の懸念がある。更に、エンドプレートの表面には、燃料電池スタックに水素ガスを供給するための水素系部品である水素ポンプや気液分離器等の補機類を取り付けることが通常であるが、これら補機類を取り付ける面においては、その表面精度を確保するために切削加工を行う必要がある。この切削加工の工程においては、その加工時間が数時間に及ぶため、製造コストの増加につながってしまうという課題もあった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンドプレートの強度、剛性を保ちつつ、軽量化を図ることができると共に、エンドプレートの製造コストの低減を図ることができる燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数積層したセル積層体の両端にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックであって、前記エンドプレートは、第１金属板と、前記燃料電池セルの積層方向に沿って貫通形成された多角形状の中空部が相互に間隔をおいて複数配置されている第２金属板とを備え、前記第１金属板と前記第２金属板とは複数交互に積層されていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタックでは、第１金属板と、燃料電池セルの積層方向に沿って貫通形成された多角形状の中空部が相互に間隔をおいて複数配置されている第２金属板とを複数交互に積層したエンドプレートを備えているので、エンドプレートの剛性を保ちつつ、エンドプレートの軽量化を図ることができる。

また本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記第２金属板は、前記中空部が六角形断面とされたハニカム構造を有していることも好ましい。

この好ましい態様では、第２金属板がハニカム構造を有しているので、金属板のみで製造されたエンドプレートと同等程度の剛性を保ちつつ、エンドプレートの軽量化を図ることができる。その結果、車両衝突時に燃料電池スタック破損の可能性を低下させることができる。

また本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記第１金属板のうち、前記燃料電池セルに水素ガスを供給するための水素系部品が取り付けられる側の第３金属板と、前記第３金属板に隣接する前記第２金属板との間に、断熱層を設けていることも好ましい。

この好ましい態様では、エンドプレートの水素系部品が取り付けられる側の第３金属板と、第３金属板に隣接する中空部を有する第２金属板との間に、断熱層を設けているので、熱の伝播方向をエンドプレートの面方向に制限することができる。その結果、エンドプレートにおける放熱を促進させることができる。

また本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記第３金属板のうち、前記第３金属板の前記水素系部品が取り付けられる部位は、他の部位よりも薄く形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、エンドプレートにおける水素系部品が取り付けられる部位の金属板を薄く形成することにより、水素系部品が取り付けられる部位の熱容量を下げることができる。その結果、水素系部品で発生した熱が金属板の面方向に伝播しやすくすることができるので、放熱を促進させることができる。

本発明によれば、高強度、高剛性の金属塊で形成された従来のエンドプレートと同等の強度、剛性を保ちつつ、軽量化を図ることができるエンドプレートを備える燃料電池スタックを提供することができる。また、本発明によれば、金属板材を積層してエンドプレートを構成しているため、エンドプレート表面の水素ポンプ等の補機類を取り付ける部分における切削加工の工程を削減することできる。その結果、製造コストの低減を図ることができる燃料電池スタックを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックが備えるエンドプレートの平面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックが備える異形断面金属板の平面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタックが備えるエンドプレートの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池スタックが備えるエンドプレートの断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池スタック１の概略構成を示す側面図である。

燃料電池スタック１は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される燃料電池セル２を複数積層したセル積層体３を有している。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

燃料電池スタック１は、エンドプレート１０Ａ、１０Ｂに固定されている。エンドプレート１０Ａ、１０Ｂは、セル積層体３を挟持するように、ボルト及びナット（図示せず）により積層方向へ荷重をかけて締結されている。以下に示す実施形態においては、燃料電池セルを積層する方向が「積層方向」に、積層方向に略垂直な方向が「面方向」に、それぞれ対応している。

続いて、図２を参照しながらエンドプレート１０を構成する金属薄板３１（第１金属板）及び異形断面金属板４１（第２金属板）について説明する。図２（Ａ）はエンドプレート１０の平面図である。図２（Ｂ）は、エンドプレート１０の断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すエンドプレート１０のＡ−Ａ線における断面図である。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、エンドプレート１０は、金属薄板３１と、異形断面金属板４１とを複数交互に積層して構成される。つまり、エンドプレート１０を積層方向に見たときに、金属薄板３１ｃ、異形断面金属板４１ｂ、金属薄板３１ｂ、異形断面金属板４１ａ、金属薄板３１ａの順に積層するように構成されている。金属薄板３１及び異形断面金属板４１の積層枚数は、調整することが可能であり、セル積層体３の積層数、燃料電池セル２の特性等に合わせてその枚数が適宜決定される。本実施形態においては、エンドプレート１０の表面１０ａ、１０ｂは、両方ともハニカム構造に加工されていない金属板、すなわち、金属薄板３１ａ及び金属薄板３１ｃにより形成されている。

金属薄板３１ａ、金属薄板３１ｂ及び金属薄板３１ｃには、例えばアルミ板材が用いられている。金属薄板３１ａ、金属薄板３１ｂ及び金属薄板３１ｃは、例えば板厚５ｍｍ程度の金属板であり、それぞれ同一の厚さであることが好ましい。金属薄板３１ａ、金属薄板３１ｂ及び金属薄板３１ｃには、ボルト穴２１及び貫通穴２２が形成されている。ボルト穴２１は、金属薄板３１ａ、金属薄板３１ｂ及び金属薄板３１ｃの外周端部に複数設けられている。貫通穴２２は、金属薄板３１ａ、金属薄板３１ｂ及び金属薄板３１ｃの長手方向の両端部近傍に、その表面から裏面まで貫通して複数設けられている。

異形断面金属板４１ａ及び異形断面金属板４１ｂには、例えばアルミ板材が用いられている。異形断面金属板４１ａと異形断面金属板４１ｂは、それぞれ同一の厚さであることが好ましい。異形断面金属板４１ａ及び異形断面金属板４１ｂには、金属薄板３１と同様に、ボルト穴２１及び貫通穴２２が形成されている。

金属薄板３１及び異形断面金属板４１の製作方法は、例えばアルミ板材をプレス加工により一定の厚さを有する薄板に成形することにより製作される。同時に、プレス加工によりボルト穴２１及びその表面から裏面を貫通する貫通穴２２を形成する。異形断面金属板４１については、ボルト穴２１及び貫通穴２２以外の部分において、プレス抜き加工によりハニカム構造に加工する（詳細は後述する）。これにより、金属薄板３１及び異形断面金属板４１が作製される。そして、作製された金属薄板３１と異形断面金属板４１とを、セル積層体３等に求められる強度、剛性が得られる積層数に重ねて配置し、各々の金属薄板３１及び異形断面金属板４１の表面に、クラッド材を塗布し熱を加える手法を用いて固定又はボルト締結等によって固定することで、エンドプレート１０が作製される。

図２（Ｃ）に示すように、金属薄板３１と異形断面金属板４１とを積層した際に、貫通穴２２は、それぞれ互いに重なり合う位置に形成されている。互いに重なり合うことで、エンドプレート１０とセル積層体３との間で流路が形成される。この流路を介して、セル積層体３の内部に、水素ガス、酸化ガス、冷却媒体等の流体を導入又は排出することができるように構成される。

また、エンドプレート１０の一方の表面１０ａ、すなわち金属薄板３１ａの表面には、水素系部品２５が装着される。水素系部品２５は、燃料電池セル２に水素ガスを供給するための部品であり、図示しない水素入口弁、レギュレータ、水素ポンプ、気液分離器、水素排出弁などの補機類、及びこれらに接続された配管を含むものである。この補機類等を取り付ける部分では、シール性が求められるため、ある程度の表面精度を確保する必要がある。この表面精度を確保するために、金属板材を積層したタイプではない従来のエンドプレートでは、その表面を切削加工する必要があり、この切削加工に多くの時間を費やしていた。本実施形態のエンドプレート１０は、金属板材を積層して構成され、その表面１０ａがプレス加工により成形されたアルミ板材であることから、ある程度の表面精度を確保することができる。このため、補機類等を取り付ける部分の切削加工を行わずに使用することができ、加工時間の短縮を図ることができる。加工時間短縮の結果、エンドプレート１０の製造コストの低減を図ることができる。

続いて、図３を参照しながらエンドプレート１０に含まれる異形断面金属板４１の構造についてさらに詳細に説明する。図３は、図２（Ｂ）に示すエンドプレート１０のＢ−Ｂ線における断面図である。

異形断面金属板４１は、貫通穴２２の周囲に配置される金属板４２ａ、４２ｂ（例えばアルミ板材）と、燃料電池セル２の積層方向に沿って貫通形成された多角形状（本実施形態では正六角形又はその一部が切り欠かれた形状）の中空部４３が相互に間隔をおいて複数配置されてなるハニカム構造部４４とを有している。中空部４３は、異形断面金属板４１の表面から裏面まで貫通して形成されている。

金属板４２ａ、４２ｂは、貫通穴２２の幅と同程度又は一回り大きい幅を有し、貫通穴２２を覆うように形成される。そして、この金属板４２ａ、４２ｂが形成された部分以外の部分は、プレス抜き加工した中空部４３が相互に間隔をおいて複数配置されてなるハニカム構造部４４が形成される。エンドプレート１０のより一層の軽量化を図る観点からは、貫通穴２２等が形成された部分以外の部分において、ハニカム構造部４４が広範囲に形成されていることが好ましい。ハニカム構造部４４は、金属製の薄板が六角形を成し、垂直に立てられた多数の構造となっている。このため、ハニカム構造部４４は、積層方向の圧縮に強い特性を有している。

このように、エンドプレート１０を、ハニカム構造部４４を有する異形断面金属板４１を含む構成とすることにより、従来のチタン合金等の金属板のみで形成されたエンドプレートと同等程度の強度、剛性を保ちつつ、軽量化を図ることができるエンドプレート１０を提供することができる。その結果、エンドプレート１０を備える燃料電池スタック１を車両に搭載した場合において、車両衝突時における慣性衝撃力を低減することができるため、燃料電池スタック１破損の可能性を低下させることができる。

続いて、図４を参照しながら、本発明の第２実施形態における燃料電池スタック１について説明する。図４に示すエンドプレート１０は、第１実施形態で示した燃料電池スタック１におけるエンドプレート１０に、断熱性能を有する断熱層５１を形成したもので、それ以外の構成及び機能は第１実施形態の燃料電池スタック１と同じである。したがって、第１実施形態の燃料電池スタック１におけるエンドプレート１０と同じ部分については第１実施形態のものと同一の符合を用い、それらについての説明は省略する。

断熱層５１は、水素系部品２５である補機類が取り付けられる金属薄板３１ａ（第３金属板）と、この金属薄板３１ａに隣接する異形断面金属板４１ａとの間に配置されている。その結果、エンドプレート１０の断面を、補機類が取り付けられる金属薄板３１ａから下方に向かって見たときに、金属薄板３１ａ、断熱層５１、異形断面金属板４１ａ、金属薄板３１ｂ、異形断面金属板４１ｂ及び金属薄板３１ｃの順に積層される構造となっている。断熱層５１は、例えばアルミ等の金属板の表面に樹脂コーティングしたものにより形成され、断熱性を有している。このため、エンドプレート１０の板厚方向に熱が伝播した場合に、熱の伝播方向を制限することができる。断熱層５１は、熱伝導率が低く、また安価であれば好ましい。断熱層５１の材料としては、例えば、ＰＰ材、ＰＡ材等（ＰＡ６Ｔ−ＧＦ等）が挙げられる。また、貫通穴２２内には、絶縁、腐食防止のため樹脂がインサート成形されているが、断熱層５１の材料を貫通穴２２内の樹脂と同じにすることにより、断熱層５１のはがれを抑制することができる。なお、断熱層５１を設ける方法として、加工された（貫通穴が形成された）樹脂板を積層して設けても良い。

本実施形態におけるエンドプレート１０の作製としては、まず、プレス加工により異形断面金属板４１を成形する。そして、金属薄板３１と断熱層５１と異形断面金属板４１とを重ね合わせ、ボルト締結、樹脂インサート成型等を用いて、エンドプレート１０が作製される。

このようにエンドプレート１０を、金属薄板３１ａと異形断面金属板４１との間に断熱層５１を積層することにより、エンドプレート１０の板厚方向に補機類から発生した熱が伝播した場合に、熱の伝播方向をエンドプレート１０の面方向に制限することができる。その結果、エンドプレート１０の軽量化、製造コストの低減を図ることできることに加えて、エンドプレート１０における放熱が促進され、異形断面金属板４１に形成されたハニカム構造部４４に熱がこもることを抑制することができる。

続いて、図５を参照しながら、本発明の第３実施形態における燃料電池スタック１について説明する。図５に示すエンドプレート１０は、第１実施形態で示したエンドプレート１０における水素系部品２５としての補機類が取り付けられる側の金属薄板３１ａの板厚を薄くしたもので、それ以外の構成及び機能は第１実施形態の燃料電池スタック１と同じである。したがって、第１実施形態の燃料電池スタック１におけるエンドプレート１０と同じ部分については第１実施形態のものと同一の符合を用い、それらについての説明は省略する。

図５に示すように、補機類が取り付けられる側の金属薄板３１ａにおいて、補機類が取り付けられる部位６１の板厚が、他の部位における金属薄板３１ａの板厚よりも薄く形成される。本実施形態におけるエンドプレート１０の作製としては、まず、アルミ等の金属薄板を鍛造加工等により、補機類が取り付けられる部位のみ板厚を薄く成形した金属薄板３１ａを作製する。次に、プレス加工により、異形断面金属板４１を成形する。そして、補機類が取り付けられる部位のみ板厚を薄く成形した金属薄板３１ａと、部分的に薄く加工していない金属薄板３１ｂ、３１ｃと、異形断面金属板４１とを組み合わせて焼き固め、ボルト締結、樹脂インサート成型等を用いてエンドプレート１０を作製する。

このように金属薄板３１ａの補機類取付面の板厚を薄くすることにより、金属薄板３１ａにおける補機類取付面の熱容量を下げることができる。このため、補機類で発生した熱が金属薄板３１ａの面方向に伝播させやすくすることができる。その結果、エンドプレート１０の軽量化、製造コストの低減を図ることできることに加えて、エンドプレート１０の放熱を促進させることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施例でも実施することが可能である。

１：燃料電池スタック
２：燃料電池セル
３：セル積層体
１０：エンドプレート
２１：ボルト穴
２２：貫通穴
２５：水素系部品
３１：金属薄板
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：金属薄板（第１金属板）
４１ａ、４１ｂ：異形断面金属板（第２金属板）
４３：中空部
４４：ハニカム構造部
５１：断熱層

Claims (3)

1. 燃料電池セルを複数積層したセル積層体の両端にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックであって、
   前記エンドプレートは、第１金属板と、前記燃料電池セルの積層方向に沿って貫通形成された多角形状の中空部が相互に間隔をおいて複数配置されている第２金属板とを備え、
   前記第１金属板と前記第２金属板とは複数交互に積層され、
   前記第２金属板は、前記中空部が六角形断面とされたハニカム構造を有していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記第１金属板のうち、前記燃料電池セルに水素ガスを供給するための水素系部品が取り付けられる側の第３金属板と、前記第３金属板に隣接する前記第２金属板との間に、断熱層を設けてい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。
3. 前記第３金属板のうち、前記第３金属板の前記水素系部品が取り付けられる部位は、他の部位よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。

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