JP2005197153A - 固体高分子型燃料電池発電ブロック及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを構成する各ブロックの組み立て，分解，メンテナンス等を容易にすること。
【解決手段】 片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成した一対の冷却セパレータ９により，上記ガス流路を有する面側が内側となるように，電極・電解質膜接合体５を含む燃料電池ユニットセル３を複数挟んで構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電ブロック２及びそれを積層した固体高分子型燃料電池スタック１。
【選択図】図１

Description

本発明は，固体高分子型燃料電池における発電ブロック及びそれを用いた燃料電池スタックに関するものである。

固体高分子型燃料電池のスタック構造として，特許文献１に記載のものがある。これは，ガスシール材として従来から用いられているＯリング或いはフラット型ガスケットを用いずに，電解質膜の片面又は両面に，中央部に開口を有する接着剤付高分子シートを接着して，スタック全体を接着構造で一体化するものである。このシートの中央部の開口寸法は電極と拡散板の外縁寸法より小さい為，電解質膜・電極・拡散板が接着剤付高分子シートで一体化される。従って，スタックとしては，このシートとセパレータを交互に積層していくことにより，一体化スタックを製作することができる。

しかし，この構造には次のような欠点がある。まず，第１に，スタックの各構成部品を接着構造によって一体化してしまう為，運転中にスタック内の一部のセルに不具合等が生じた場合，部分的に部品を交換することができない。

また，電解質膜・電極・拡散板を一体化する為，接着剤付高分子シート中央の開口部寸法を電極と拡散板の外縁寸法より小さくすると，電極と拡散板の外縁部がシート開口部の内側と重なってしまう。この重なり部分を確実に電極と拡散板の合計厚さ，及び，シートの厚さより薄くなるように圧縮させる必要がある。この重なり部分に局部的な応力が発生し，対面するセパレータの歪を誘発し，スタック性能に悪影響を及ぼす懸念がある。悪影響の内容としては，ガスシール性の低下，各部材間の圧着力のアンバランスによる電気導電性の低下，即ち，接触抵抗の増大が考えられる。

運転中にスタック内の一部のセルに不具合が生じた場合の対処方法としては，あらかじめスタックを幾つかのブロックに分けておき，そのブロック単位で一体化し，不具合の生じたセルを含むブロックを交換する方法が考えられる。

この方法の代表例は，特許文献２に示すものである。しかし，この公報に示す方法では，ブロック単位での締付構造と，それらを積み重ねたスタックとしての締付構造の両方が必要になり，構造として複雑になる。

特開平９−２８９０２８号公報

特開平１０−２６１４２６号公報

本発明は，複数の発電ブロックを積層・一体化した燃料電池スタックにおいて，メンテナンスの容易な発電ブロック及び高分子電解質型燃料電池スタックを提供することである。

本発明によれば，片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成した一対の冷却セパレータにより，上記ガス流路を有する面側が内側となるように，電極・電解質膜接合体（以下，ＭＥＡと略記する）を含む燃料電池ユニットセルを複数挟んで構成した燃料電池発電ブロックが提供される。ここでＭＥＡとはＭｅｍｂｒａｎｅ／Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙの略号である。このブロックにおいて，上記燃料電池ユニットセル自体を一体化すること，及び上記冷却セパレータと上記ユニットセルとは一体化されていることが好ましい。また，このブロックの片側又は両側の上記冷却セパレータに液体シール材を接続することができる。この液体シール材は，積層スタックを構成した場合に，隣接するブロックの冷却セパレータ間の冷却媒体をシールするもので，可圧縮性の材料で作るのが好ましい。また，この流体シール層は冷却セパレータに接着することができる。ここで流体シールとは，水などの液体をシールする液体シールと気体をシールするガスシールを含む。本発明においては，冷却媒体として水を使用した場合，液体シールを用いれば十分であるが，燃料電池で従来用いられてきたガスケットなどのガスシールを用いても良い。

本発明は，片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成した一対のセパレータにより，上記ガス流路を有する面側が内側となるように，ガスケット，ガス拡散板，ＭＥＡ，ガス拡散板及びガスケットを含むユニットを挟んで構成した発電ブロックの複数個を積層・一体化した燃料電池スタックを提供することができる。

本発明によれば，燃料電池スタックの組み立て，部品やブロックなどの交換，メンテナンスなどを容易に行うことができる。

以下，本発明を実施例により詳細に説明する。

本発明の実施形態によれば，ブロック構成部品を接着構造により一体化したブロックを複数段重ねるスタック構造とし，ブロック間の境界を冷却セルとすることができる。ブロック間の流体シール又は接着シールの中央部に設けた開口部の寸法を，電極及び拡散板の外縁寸法より大きい寸法とすることが望ましい。

また，上記液体シール層を上記セパレータに接着することにより，積層体の取り扱いが容易になる。上記ブロックを複数積層すれば所望の燃料電池スタックとなり，ブロック単位で，検査したり，補修したりすることができる。

また，積層スタックを構成するときは，ブロック間は冷却セパレータを接続するのみであるから，これは冷却媒体の配管接続と同程度の技術的な取り扱いであり，ブロックの発電性能に異常が無ければ，容易にスタックを積層・構成することができる。従って，本発明の燃料電池スタックは，燃料電池の生産工場内で，ブロックの発電性能試験及びスタックの性能試験を行えば，現地でのスタックの据付に際して再度の検査を省略することができる。又，発電中に不具合が発生したり，ブロックを交換したりするときは，簡単にスタックを分解し，ブロック単位で，交換，修理などをすることができ，燃料電池スタックの維持・管理が極めて簡略化される。

さらに，上記複数のブロックを締め付け構造により積層・一体化したことにより，燃料電池の運搬，据付，移動が容易になる。又，本発明は，片面にガス流路を，他面に冷却水などの冷却媒体流路を形成したセパレータと，上記ガス流路を有する面側に配置された，ガスケット，ガス拡散板，ＭＥＡ，ガス拡散板及びガスケットを含むユニットと，上記セパレータの冷却水流路側に接着された可圧縮性液体シール層とを含むブロックを複数積層した固体高分子型燃料電池スタックを提供するものである。

上記流体シール層を両面接着シートにすることにより，ブロック間の冷却セパレータを容易に接着固定することが出来，積層体の取り扱いが容易になる。さらに，上記複数のブロックを分離する治具を挿入する為の溝又は穴を，ブロックの境界となるセパレータに設けることにより，ブロックの分解が容易になり，部品やブロックの交換，点検，修理などが容易に行える効果がある。

また，前記流体シール層は開口を有し，その開口面積はＭＥＡ及び拡散板の外形面積より大きい物を用いることにより，確実に流体シールをすることができる。上記流体シール層は，開口部を持たなくとも良い。この場合，冷却セパレータの流路を流れる冷却水の流通が妨げられないように，シール層の少なくとも中央部は，十分な多孔質であることが望ましい。上記流体シールは，繊維集合体や多孔質体のような可圧縮性であることが望ましい。これにより，積層されたブロックを締め付けて一体化したときに，流体漏れを防ぐことができ，ブロック間の締め付け力が均等に分布するようにする。

燃料電池のより好ましいスタック構造として，メンテナンス等での交換単位となるブロックを複数段積層するスタックにおいて，ブロック自体を構成する各部品を接着構造により一体化し，そのブロック間の境界を冷却セルとすることができる。これにより，メンテナンス時の作業性を良好にすることができる。また，ブロックを一体構成する各部品寸法のうち，電極と拡散板の外縁部よりガスケット開口部の内縁部を小さくすることにより，部品同士の重なりを無くし，ガスシール性，電気導電性に優れたものとすることができる。接着シートを流体シール層として用いたブロック一体化構造において，流体シール性，電気導電性に悪影響を及ぼさないブロック一体化構造を提供することができる。

燃料電池スタックを構成する各部品を接着して一体化する構造は，運転中に一部のセルに不具合が生じた場合に，点検や部品交換等のメンテナンスを，きわめて容易に行える。スタック或いはブロックを構成する各部品を接着構造により一体化する場合，一部の部品の外縁部と内縁部を重ね合わせることができる。これにより，組み立て時の構成部品点数を減らし，重なり部の応力を低減するために，図２に示すように，ＭＥＡ，ガス拡散板，電極及びガスケットが重ならないように構成することができ，ガスシール性や電気導電性に悪影響を及ぼす懸念を除去することができる。

ブロック自体は，その各構成部品を接着構造により一体化したものである。そのブロックを複数段重ねて構成する燃料電池スタックにおいて，ブロック間の境界を冷却セルとしたことにより，冷却セルには発電セルを構成する多数の細かい部品が不要となる。そのため，スタックのメンテナンス時においてブロックを交換する作業が簡単になると同時に，メンテナンス後の発電性能確認試験が不要になる。ブロック間の冷却セルを接着構造にすることもでき，スタック構造の簡素化が図れる。また，ブロックを構成する各部品の接着構造において，開口部を有するガスケットの内縁寸法を，電極・拡散板の外縁寸法より大きくすることにより，その部分が重なった時の歪により誘発されるガスシール性，電気導電性の低下を防ぐことができる。

本発明は，ブロックを構成する各部品を接着構造により一体化した為，ブロックを一体化する為の上下または左右締付板と締付ボルトが不要になり，あるいは小型の締め付け構造とすることが出来，小型・軽量化が図られ，あるいは極めて簡素な構造となる。また，ブロックを複数段重ねて構成するスタックにおいて，ブロック間の境界を冷却セルとする為，スタックのメンテナンスに当たって，発電セルを分解する必要が無い。したがって，分解・組み立て及びその性能確認の為の工場持ち帰り試験が不要になり，メンテナンス工数・費用を低減することができると共に，メンテナンス後の性能安定性，メンテナンス時の取り扱いの容易性を確保することができる。

また，本発明によれば，接着性を付与した接着性の流体シール層やガスケットを使用することにより，積層体の締め付け圧力を小さくすることが出来，それにより電極やガス拡散板に対する過剰な締め付け力を防ぐことができる。従って，これらの過剰な圧縮による性能低下や構成要素の変形，破損を防ぐことができる。

（実施例１）
図１は本発明によるスタック構造を示す展開斜視図である。スタックは，複数のブロック２と，ブロック２間に挿入された冷却水流路を備えた一対のセパレータ９，及び該セパレータ間に挿入された可圧縮性の多孔質体からなる流体シール１２から構成されている。このように，ブロック２間の境界は冷却セルとなっている。ブロックは発電セルと冷却セルから構成され，発電セルはＭＥＡ５，その電極部分に重ねた拡散板７，電極６及び拡散板の外縁寸法より大きい開口部を有するガスケット８を重ねて構成される。このようにして構成された燃料電池ユニットセルを，２０〜３０ユニット積層して発電ユニットを構成する。そしてこの発電ユニットを冷却セパレータで挟んで発電ブロックを構成する。

ガスケットの両面が接着面となっており，ＭＥＡとセパレータを接着する接着剤の機能を有する。この例では，拡散板は一つの構成部品として独立しているが，ＭＥＡの電極部に一体化された状態で提供することもできる。これは最近になって部品の一体化技術が進歩した為であり，組み立て工数の低減の為に，ＭＥＡと拡散板は一体化されたものを用いる方が望ましい。ＭＥＡ（拡散板付き）→ガスケット（接着剤付き）→セパレータ→ガスケット（接着剤付き）→ＭＥＡ（拡散板付き）……と重ねていくことにより，ブロックを構成するすべての部品が接着され一体化される。

ブロック間の境界となる冷却セルは，ガスケットのみから構成され，ブロック端部のセパレータと接触する。このガスケットの両面を接着面とすれば，ブロック同志を接着し，スタック全体を一体化構造とすることができる。このガスケットの両面を接着面としない場合は，冷却水をシールする為にスタックの上下または左右に設置した端板間に締付ボルト等を介してスタック全体を締め付ける構造とする。スタックの端板間の締付は，ブロック間の冷却セルを接着構造とした場合にも，各接着面を引き剥がす力を加えないようにする為に，有効である。ブロックを一体化している接着面の保護にも有効である。

ブロック間の冷却セルを接着構造とするか，または，スタックの上下または左右端板間を締め付け構造とするかは，スタックの規模，設置環境等を考慮して決定する。例えば，出力が数Ｗと小さく，省スペースが必須条件である携帯用燃料電池の場合，構造を簡素化する為に，スタック全体を一体化構造とし，締め付け構造は省く方が良い。これに対し，車載用の場合，出力が数十ｋＷと大きく，振動に耐える必要がある為，スタック全体を一体化構造とし，締付構造も採用する方が良い。

一方，出力が数ｋＷの小規模定置型の場合，メンテナンスのし易さや低コスト化の為，ブロック間の冷却セルは接着構造にしないで，スタック全体を締め付けることで，ブロック間のシール性を確保する構造が望ましい。冷却セルを接着構造とする場合は，メンテナンス時に分解しやすいよう，分解治具を入れる溝又は穴をブロック端部のセパレータ１３に設けることが望ましい。

図２は，本発明におけるブロック内の発電セルの断面構造を示したものである。接着面はガスケットの片面あるいは両面であっても良いし，ＭＥＡの電極部外側の片面あるいは両面であっても良い。また，セパレータの片面あるいは両面であっても良い。もちろん，これらのパターンの組み合わせであっても良い。

ＭＥＡの電極部及び拡散板の外縁部とガスケット開口部の内縁部は，お互いに重ならないように，ガスケット開口部の内縁寸法を電極及び拡散板の外縁寸法より大きくする。電極部及び拡散板の外縁部とガスケット開口部の内縁部が重なる為，各部品を接着させる為に締付力を加えると図３に示すように，重なり部分に変形が生じる。これが各部品間の歪みを誘発し，流体シール性および電気導電性に悪影響を及ぼす懸念があるが，本発明はこのようなタイプの発電スタックに適用することもできる。

本発明は，ガスケットを片面又は両面接着型とし，あるいは流体シールを片面又は両面接着型とすることにより，スタックの組み立て分解，交換，運搬，移動などが容易に，効率よく行える効果がある。

なお，上記流体シール層とガスケットの材質は同じでも異なっても良い。ガスケットが水素含有ガス及び酸素含有ガスをシールするためのものであり，流体シール層は冷却セパレータに流れる冷却媒体例えば冷却水をシールするものである。従って，流体シールは冷却媒体をシールできるものであれば良い。また，これらの材料は可圧縮性であることが好ましい。これによりセパレータやＭＥＡ等に対する加圧力を均等に分散して，それらの要素が破損したり，特性が劣化したりするのを防ぐことができる。

本発明の実施例による燃料電池スタックの構成を示す一部断面概略分解図である。 本発明の実施例による燃料電池スタックに用いられる発電セルの断面構造である。 本発明の他の実施例による発電セルの断面構造である。

符号の説明

１…スタック，２…ブロック，３…発電セル，４…冷却セル，５…ＭＥＡ，６…電極，７…拡散板，８…ガスケット，９…セパレータ，１０…端板，１１…電解質膜。

Claims (13)

1. 片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成した一対の冷却セパレータにより，上記ガス流路を有する面側が内側となるように，電極・電解質膜接合体を含む燃料電池ユニットセルを複数挟んで構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電ブロック。
2. 上記ユニットセルは，ガスケット，ガス拡散板，電極・電解質膜接合体，ガス拡散板及びガスケットを含むことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池発電ブロック。
3. 上記冷却セパレータと上記ユニットセルとは一体化されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池発電ブロック。
4. 上記冷却セパレータに液体シール材を接続したことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池発電ブロック。
5. 片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成した一対の冷却セパレータにより，上記ガス流路を有する面側が内側となるように，電極・電解質膜接合体を含む燃料電池ユニットセルを複数挟んで構成した燃料電池発電ブロックを，複数積層したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
6. 上記燃料電池発電ブロックは，片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成した一対のセパレータにより，上記ガス流路を有する面側が内側となるように，ガスケット，ガス拡散板，電極・電解質膜接合体，ガス拡散板及びガスケットを含む燃料電池ユニットを複数挟んで構成されることを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池発電スタック。
7. 隣接する燃料電池発電ブロックの上記冷却セパレータ間に液体シール層を設けたことを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池スタック。
8. 上記複数の燃料電池発電ブロックを締め付け構造により積層・一体化したことを特徴とする項５記載の固体高分子型燃料電池スタック。
9. 上記流体シール層は両面接着シートであることを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池スタック。
10. 上記複数のブロックを分離する治具を挿入する為の溝又は穴を，ブロック間の境界となるセパレータに設けたことを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池スタック。
11. 上記流体シール層は開口を有し，その開口面積は電極・電解質膜接合体及び拡散板の外形面積より大きいことを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池スタック。
12. 上記流体シール層は，開口部を持たないことを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池スタック。
13. 片面にガス流路を，他面に冷却媒体流路を形成したセパレータと，上記ガス流路を有する面側に配置された，ガスケット，ガス拡散板，電極・電解質膜接合体，ガス拡散板及びガスケットを含む発電ブロックを，上記セパレータの冷却媒体流路側に可圧縮性流体シール層を介して該ブロックを複数積層したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。

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