JP2006108036A

JP2006108036A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2006108036A
Application number: JP2004296386A
Authority: JP
Inventors: Sadao Miki; 貞雄三木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】適した絶縁体構成を有する燃料電池スタックを提案する。
【解決手段】単位セル１０の積層部材として、外縁に絶縁体１９を有する盆形状の積層部材を用いる。例えば、セパレータ１５の外縁に絶縁体１９を設ける、またはＭＥＡ１３の外縁に絶縁体１９を設けることにより、盆形状の積層部材を構成する。互いに隣り合う絶縁体１９は、その一部が重なるように構成されるとともに、二つの絶縁体１９の間に隙間２０を備えるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、燃料電池スタックの絶縁構造に関する。

従来の燃料電池スタックとして、スタック周囲に額縁状の絶縁材を有するものが知られている。

外部マニホールドを金属材料により構成し、燃料電池スタックと外部マニホールドの間に、額縁状の絶縁体を備えることにより絶縁を行っている。燃料電池スタックと絶縁体のあいだには、多孔質セラミックシートと球状ジルコニア粉末を備え、また、絶縁体と外部マニホールドの間には、球状ジルコニア粉末と多孔質セラミックシートを備える。この絶縁体は、複数の部材を用いて、予め設計された所定の形状に構成されている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開平８−４５５３２号公報

燃料電池スタックは通常、セパレータ、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）等の積層部材を積層してなる単位セルを、数十〜数百枚積層して構成する。各単位セルに用いられる積層部材の表面度には僅かながらもバラツキがあるため、それらを多数積層することにより、燃料電池スタックの側面がフラットにならなかったり、スタック間で長さのバラツキが生じたりしてしまう。

そのため、予め設計した所定の形状の絶縁体で、全ての燃料電池スタックの絶縁を行うことは難しいといった問題があった。また、燃料電池スタックと絶縁体との間に隙間ができる部分と隙間がでない部分とが生じるが、この隙間も燃料電池スタック毎に異なるために、隙間に滞留した水素や水蒸気を効率的に除去するのが困難であった。

そこで、本実施形態では、適した絶縁体構成を有する燃料電池スタックを提案することを目的とする。

本発明は、複数の積層部材を積層してなる単位セルを、さらに複数積層して構成された燃料電池スタックにおいて、少なくとも一部の単位セルは、外縁に沿って略積層方向に傾斜突出した絶縁体を有する盆形状の積層部材を有する。

このように、単位セルを構成する積層部材は、外縁に沿って絶縁体が設けられるので、積層時にスタック側面の電気絶縁性を得ることができる。このとき、絶縁体は、単位セル自体に設けられるため、比較的、単位セル毎の位置や形状に対応して配置されやすく、積層構成を有する燃料電池スタックに適した絶縁体を構成することができる。

図１を参照して第１の実施形態による燃料電池スタック１の構成を説明する。

燃料電池スタック１を複数の単位セル１０を積層することにより構成する。単位セル１０は、両面に触媒が塗布された電解質膜１１と、電解質膜１１の両側に接着された一対のガス拡散層（ＧＤＬ：gas diffusion layer）１２と、からなる膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）１３を備える。ＧＤＬ１２の外縁に沿ってシールキャリア１８を備え、電解質膜１１平面の面積と、ＧＤＬ１２およびシールキャリア１８からなる平面の面積を、等しく構成する。ＧＤＬ１２は多孔質材、例えばカーボンペーパ等より構成され、シールキャリア１８は、反応ガスを透過しない緻密材により構成される。

また、単位セル１０は、ＭＥＡ１３の両側に、ＭＥＡ１３に隣接する面に溝状の反応ガス流路１４を有し、ＳＵＳ系金属部材よりなるセパレータ１５を備える。セパレータ１５は、ＭＥＡ１３に接触する面の裏面に、ＬＬＣ（long life coolant）を流通するＬＬＣ流路１６を備えても良い。また、図１では、単位セル１０毎に二つずつセパレータ１５を備えたが、隣接する単位セル１０同士で、両面に反応ガス流路１４を有する一つのセパレータ１５を共有してもよい。

また、ＭＥＡ１３から積層面外周方向に反応ガスが漏洩するのを防ぐために、セパレータ１５平面の外周に沿ってシール１７を備える。シール１７は、前述したようにＧＤＬ１２の外周に設けられたシールキャリア１８に対峙し、シールキャリア１８とセパレータ１５の間を密封することにより、反応ガスの漏洩を防止する。

このような単位セル１０を複数積層して燃料電池スタック１を構成する。ここで、セパレータ１５を、ＳＵＳ系金属で構成するため、燃料電池スタック１の側面を絶縁する必要がある。セパレータ１５からの漏電を防ぐために、燃料電池スタック１の側面を略覆うように絶縁体１９を備える。ここでは、絶縁体１９を樹脂材により構成する。

次に、図２を参照して、絶縁体１９の構成を説明する。

単位セル１０を構成する積層部材として、外縁に絶縁体１９を有する盆形状の積層部材を備える。つまり、絶縁体１９は、盆形状の縁部分を構成する。

ここでは、セパレータ１５の外縁に絶縁体１９を一体化させることにより、盆形状の積層部材を構成する。言い換えれば、盆形状の底面部分をセパレータ１５で構成し、縁部分を絶縁体１９で構成する。さらに、絶縁体１９を、セパレータ１５に一体化する一体部１９ｂと、積層方向に傾斜突出した縁部１９ａより構成する。

一体部１９ｂは、セパレータ１５の反応ガス流路１４を設けた面の裏面に一体化された平板形状の領域よりなり、縁部１９ａは、一体部１９ｂに連続し、セパレータ１５から突出した平板形状の領域よりなる。縁部１９ａと一体部１９ｂの内角が９０°より大きく１８０°より小さくなるように、絶縁体１９の傾斜を設定する。

なお、ここでは、図１に示すように、単位セル１０を構成する積層部材のうち最も外側に設けられたセパレータ１５の外側の面に一体部１９を設け、その単位セル１０の側面に覆い被さるように縁部１９ａを設けているが、この限りではない。例えば、図１において、単位セル１０Ｙ₁に設けた絶縁体１９Ｙ₁を、隣接する単位セル１９Ｘ₁の側面を覆うように構成することもできる。

図１に示すように、このような絶縁体１９を有する単位セル１０を積層する際には、各単位セル１０の縁部１９ａが略同一方向に突出するように積層する。つまり、セパレータ１５と絶縁体１９からなる盆形状が、同一方向に重なるように積層する。

また、ここでは、各単位セル１０の同極側に配置されたセパレータ１５に絶縁体１９を備える。このとき、ある単位セル１０Ｘ₁に設けられた絶縁体１９Ｘ₁は、その単位セル１０Ｘ₁の絶縁体１９Ｘ₁を有さないセパレータ１５に隣接して配置される単位セル１０Ｙ₁の絶縁体１９Ｙ₁に一部が折り重なる長さとする。また、絶縁体１９Ｘ₁と、絶縁体１９Ｙ₁との間は少なくとも一部で開口され、隙間２０を有するように構成する。

ここで、燃料電池スタック１においては、このような単位セル１０を数十〜数百枚重ねて構成されるので、単位セル１０を構成する積層部材の僅かな平面度のバラツキから図３に示すような反りが生じてしまう可能性がある。

このような燃料電池スタック１に対して、側面に沿って平板形状の絶縁体１１９を設けると（図３（ｂ）、参照）、燃料電池スタック１の側面と絶縁体１１９との間に不均一な隙間が形成される。燃料電池スタック１からの水素の微量の漏れが生じた場合、この水素はこの隙間に滞留してしまう。この滞留した水素は、ブロア等を用いてパージすることもできるが、隙間の大きさに応じてパージされ易さが異なり、例えば、非常に小さい隙間などにはパージする空気等が供給されにくく、パージしようとするとブロア等の負荷を大きくする必要があった。

これに対して、図３（ａ）に示すように、本実施形態では、燃料電池スタック１から水素の微量な漏れが生じた場合にも、各単位セル１０の側面から隙間２０を通って排出されるために、燃料電池スタック１付近に滞留するのを防ぐことができる。特に、燃料電池スタック１を、内部の空気をパージするブロアを有するスタックケースに収容した場合には、ブロアにより生じる空気の流れにより燃料電池スタック１近傍の水素の滞留を防ぐことができる。

なお、水素は軽い原子であるので、積層方向が垂直方向となるように燃料電池スタック１を配置する場合には、一体部１９ｂに対して隙間２０が上方に位置するように、つまり図３（ａ）では、左が下、右が上となるように配置されるのが好ましい。

また、ここでは、各単位セル１０毎に絶縁体１９を設けたがこの限りではなく、複数おきの単位セル１０に絶縁体１９を備えてもよい。例えば、図４に示すように一つおきの単位セル１０毎に絶縁体１９を備えても良い。但し、このときには、図中の単位セル１０Ｘ₂が有する絶縁体１９Ｙ₂は、積層一方向について、その次に配置された絶縁体１９Ｙ₂に一部が重なるように形成し、絶縁体１９Ｘ₂と１９Ｙ₂の間には隙間２０が形成されるように構成する。

次に、本実施形態の効果について説明する。

複数の積層部材を積層してなる単位セル１０を、さらに複数積層して構成された燃料電池スタック１において、少なくとも一部の単位セル１０は、外縁に沿って略積層方向に傾斜突出した絶縁体１９を有する盆形状の積層部材を備える。このように、単位セル１０の外縁に沿って絶縁体１９が設けられるので、積層時に燃料電池スタック１側面の電気絶縁性を得ることができる。このとき、絶縁体１９は、単位セル１０自体に設けられるため、比較的、単位セル１０の位置や形状に対応して配置されやすく、積層構成を有する燃料電池スタック１に適した絶縁体１９を構成することができる。

ここでは、盆形状の積層部材として、外縁に絶縁体１９を有するセパレータ１５を備える。既存するセパレータ１５を盆形状の積層部材の一部とすることで、絶縁体１９を支持する部材を新たに設ける必要がなく、単位セル１０が厚くなるのを避けることができる。

絶縁体１９の突出方向を、積層された単位セル１０間で略同一とする。これにより、同形状の単位セル１０を同一方向に積層することができる。

また、絶縁体１９のうち、積層方向に互いに隣り合う絶縁体１９Ｘ，１９Ｙは、スタック側面に垂直な方向について、一部が重なるように構成される。これにより、積層部材の平面度のバラツキに起因するスタック長さのバラツキや反りにかかわらず、それに自ずと追随する。その結果、燃料電池スタック１毎に絶縁体１９の寸法を変える必要はなく、また、燃料電池スタック１構成後に絶縁体１９を取り付ける際に必要となる、長さ合わせや位置合わせといった作業を省略することができる。

また、絶縁体１９のうち、積層方向に互いに隣り合う絶縁体１９Ｘ、１９Ｙの間に、隙間２０を有するように構成する。これにより、燃料電池スタック１側面の電気絶縁性を確保しつつ、単位セル１０Ｘから漏れた微量の水素や水蒸気を、燃料電池スタック１の側面と絶縁体１９Ｘとの間から排出することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図５、図６を参照して、本実施形態の燃料電池スタック１の構成を説明する。

図５に示すように、盆形状の積層部材として、外縁に絶縁体２９を有するＭＥＡ１３を用いる。絶縁体２９を、シールキャリア１８と一体化して構成する。つまり、一方の極の外周に設けたシールキャリア１８の外縁を、略積層方向に傾斜突出するように延長することにより、絶縁体２９を構成する。ＭＥＡ１３を盆形状の底面としたときに、絶縁体２９は盆形状の縁部分を構成する。

このようなＭＥＡ１３を有する単位セル１０を複数積層して燃料電池スタック１を構成する。図６に示すように、ある単位セル１０Ｘ₃の絶縁体２９Ｘ₃の一部が、一方に隣接する単位セル１０Ｙ₃の絶縁体２９Ｙ₃に折り重なり、絶縁体２９Ｘ₃と絶縁体２９Ｙ₃の間には隙間３０が形成されるように、絶縁体２９を構成する。これにより、燃料電池スタック１の側面に絶縁性を維持し、また、側面近傍に水素が滞留するのを抑制する。

なお、第１の実施形態と同様に、絶縁体２９を複数の単位セル１０毎に設けることもできる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

盆形状の積層部材として、電解質膜１１とＧＤＬ１２を備え、外縁に絶縁体２９を有するＭＥＡ１３を備える。このように、既存するＭＥＡ１３を盆形状の積層部材の一部とすることで、絶縁体２９を支持する部材を新たに設ける必要がなく、単位セル１０が厚くなるのを避けることができる。

次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図７を参照して、本実施形態の燃料電池スタック１の構成を説明する。

ここでは、単位セル１０毎の運転状態をモニタするために、各単位セル１０から電流を取り出すコネクタ３１を備える。コネクタ３１は、各単位セル１０の下方に設けることが好ましい。ここでは、燃料電池スタック１を、単位セル１０の積層方向が水平方向となるように設置し、垂直方向に広がる側面の下方部分にコネクタ３１を備える。つまり、図７は、燃料電池スタック１の下方部分を水平に切断した際の断面図であり、手前から紙面に垂直に向かう方向が垂直上方を示す。

コネクタ３１は、単位セル１０Ｘ₄の絶縁体１９Ｘ₄と、それに隣接する単位セル１０Ｙ₄の絶縁体１９Ｙ₄に略囲まれた空間に収容される。コネクタ３１から伸びるリード線３２は、絶縁体１９Ｘ₄を貫通して、出力を取り出し可能に構成する。

なお、全ての単位セル１０にコネクタ３１を接続する必要がない場合には、隣り合う絶縁体１９間に多くて一つのコネクタ３１が収容されるように構成してもよい。但し、隣り合う絶縁体１９の一部がスタック側面に垂直な方向に重なり合うように、絶縁体１９の寸法を設定する必要がある。

単位セル１０の運転状態をモニタするためのコネクタ３１を、絶縁体１９のうち、積層方向に互いに隣り合う絶縁体１９Ｘ、１９Ｙの間に形成された空間に備える。隣接する単位セル１０間のピッチは小さいために、コネクタ３１間のピッチも小さくなる。そのため、コネクタ３１には隣りに設けられたコネクタ３１との間で絶縁性を持たせる必要がある。コネクタ３１を互いに隣り合う絶縁体１９の間に形成された空間に収容することで、単位セル１０に一体化した絶縁体１９によりコネクタ３１の絶縁性を得ることができ、コネクタ３１毎に新たに絶縁材を設ける必要がないので、大幅に製造工程を省略することができる。

特に、コネクタ３１それぞれを、絶縁体１９で略囲まれた個別の空間に収容することで、より確実にコネクタ３１間の絶縁性を確保することができる。

なお、絶縁体１９を設けるセパレータ１９、絶縁体２９を設けるＭＥＡ１３のシールキャリア１８は、アノード側、カソード側のどちらのものを用いても良い。また、セパレータ１５の構成材料はＳＵＳ製金属に限らず、また、絶縁体１９、２９の構成材料の樹脂材に限らない。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、燃料電池スタックに適用することができる。例えば、車両搭載用の燃料電池スタックに適用することができる。

第１実施形態による燃料電池スタックの要部の断面図である。第１実施形態による絶縁体を有するセパレータの断面図である。第１実施形態による絶縁体を用いた効果を示す図である。第１実施形態による別の例の燃料電池スタックの要部の断面図である。第２実施形態による絶縁体を有するＭＥＡの断面図である。第２実施形態による燃料電池スタックの要部の断面図である。第３実施形態による燃料電池スタックの要部の断面図である。

符号の説明

１燃料電池スタック
１０単位セル
１１電解質膜
１２ＧＤＬ
１３ＭＥＡ
１５セパレータ
１６ＬＬＣ流路
１７シール
１９絶縁体
２０隙間
２９絶縁体
３０隙間
３１コネクタ

Claims

複数の積層部材を積層してなる単位セルを、さらに複数積層して構成された燃料電池スタックにおいて、
少なくとも一部の単位セルは、外縁に沿って略積層方向に傾斜突出した絶縁体を有する盆形状の積層部材を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
前記盆形状の積層部材として、外縁に前記絶縁体を有するセパレータを備える請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記盆形状の積層部材として、電解質膜とガス拡散層を備え、外縁に前記絶縁体を有する膜電極複合体を備える請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記絶縁体の突出方向を、積層された前記単位セル間で略同一とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
前記絶縁体のうち、積層方向に互いに隣り合う絶縁体は、スタック側面に垂直な方向について、一部が重なるように構成される請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
前記絶縁体のうち、積層方向に互いに隣り合う絶縁体の間に、開口部を有するように構成する請求項５に記載の燃料電池スタック。
前記単位セルの運転状態をモニタするためのコネクタを、前記絶縁体のうち、積層方向に互いに隣り合う絶縁体の間に形成された空間に備える請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。