JP2006147258A - セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくともディフューザ領域において、シール部材を確実に高分子電解質膜及びセパレータに密着させて燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の漏れを防止する。
【解決手段】 膜電極接合体１４の両面にアノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂを配置してなる燃料電池単セル２の複数個を積層することで構成される燃料電池スタックにおいて、アノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂが積層される部分であって、アノードセパレータ１５Ａまたはカソードセパレータ１５Ｂに形成された燃料ガス用マニホールド２１、酸化剤ガス用マニホールド２３及び冷媒用マニホールド２２から発電領域に形成された燃料ガス流路１８、酸化剤ガス流路１９及び冷媒流路２０に至るディフューザ領域に、一方のセパレータに形成された流路形成用シール部材と対応する近傍位置に、該流路形成用シール部材の受けとなる第１凸部３１及び第２凸部３２を設けた。
【選択図】 図６

Description

本発明は、セパレータ及び燃料電池スタックに関し、詳細には、シール技術の改良に関する。

例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。そして、この薄板金属セパレータで高分子電解質膜を挟み込むことにより燃料電池単セルを形成し、これら燃料電池単セルの複数個を積層（スタック）した構造の燃料電池が知られている（例えば、特許文献１など参照）。

かかる薄板金属セパレータを用いた燃料電池では、アノードセパレータと高分子電解質膜、高分子電解質膜とカソードセパレータ、カソードセパレータとアノードセパレータはそれぞれマニホールド外周縁及びセパレータ外周縁を圧縮シール（シール部材）でシールされ、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒などがスタックから外部へ漏れ出ないようになされている。
特開２００４−１５２４９８号公報（第４頁から第８頁、第１図から第９図）

ところで、圧縮シールの当たる対象物は、何れも高分子電解質膜、金属セパレータなどの薄板状の部品である。そのため、金属セパレータの外周縁部に設けられたシール部材は、スタックされたときに積層方向において直線上に重なるが、マニホールド部分は流体種類の違いにより圧縮シールパターン（圧縮シール形状）が異なるため、積層方向において圧縮シールの重なりが無いエリアが存在する。

したがって、圧縮シールの重なりが無いエリアでは、圧縮シールの相手である高分子電解質膜及び金属セパレータが当該圧縮シールに押されて変形し、圧縮シールが充分に潰れることができない。その結果、シール不良となり、燃料ガスや酸化剤ガス或いは冷媒の漏れの原因となる。

そこで、本発明は、少なくとも各マニホールドからそれぞれに対応する流路に至るディフューザ領域において、シール部材を確実に高分子電解質膜及びセパレータに密着させて燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の漏れを防止することのできるセパレータ及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係るセパレータは、各マニホールドからそれぞれに対応する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路へと至る領域であって、燃料電池単セルの複数個を積層したときにアノードセパレータとカソードセパレータの積層部分において一方のセパレータに形成された流路形成用シール部材と対応する近傍位置に、該流路形成用シール部材の受けとなる凸部を有する。

本発明によれば、一方のセパレータに形成された流路形成用シール部材と対応する近傍位置に、流路形成用シール部材の受けとなる凸部を設けたので、この凸部が流路形成用シール部材を支えることになるから、当該流路形成用シール部材が高分子電解質膜またはセパレータに密着し、それらの間を確実にシールする。

したがって、本発明によれば、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒などの漏れを防止することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池スタックの積層構造を示す斜視図、図３は燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図、図４は燃料電池スタックをアノードセパレータの位置から分離して示したときのアノードセパレータの要部拡大平面図、図５は燃料電池スタックをカソードセパレータの位置から分離して示したときのカソードセパレータの要部拡大平面図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水（冷媒）をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された各流路に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

かかる構成の燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水流路（冷媒流路）を流れ、冷却水排出口１３より排出される。

燃料電池単セル２は、図２及び図３に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。膜電極接合体１４のアノード側に配置されるセパレータ１５を、アノードセパレータ１５Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ１５をカソードセパレータ１５Ｂと称する。

膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。

アノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂは、板厚の薄い金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。例えば、これらアノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂの厚みは、０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度とされる。そして、これらアノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂは、発電に寄与するアクティブ領域（高分子電解質膜と接する中央部分の領域）に、凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。

膜電極接合体１４のアノード側に接して配置される凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に燃料ガス（水素Ｈ）を流通させる燃料ガス流路１８を形成する。一方、膜電極接合体１４のカソード側に接して配置される凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ）を流通させる酸化剤ガス流路１９を形成する。そして、アノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂが積層された凸条部１７，１７で囲まれた空間部は、冷媒である冷却水（ＬＬＣ）を流通させる冷媒流路２０を形成する。

また、これらアノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂには、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３と連通するそれぞれのマニホールド２１、２２、２３、２４、２５、２６が形成されている。例えば、図２で示すセパレータ１５の左側奥から手前へ順次、燃料ガス導入用マニホールド２１、冷却水導入用マニホールド２２、酸化剤ガス導入用マニホールド２３とされている。また、セパレータ１５の右側奥から手前へ順次、酸化剤ガス排出用マニホールド２４、冷却水排出用マニホールド２５、燃料ガス排出用マニホールド２６とされている。

また、アノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂには、流路を構成する凹条部１６及び凸条部１７を取り囲むようにしてその外周縁部に沿って設けられた外周シール部材２７が形成されている。アノードセパレータ１５Ａには、外周シール部材２７がその両面に形成され、カソードセパレータ１５Ｂには、膜電極接合体１４と接する側の面にのみ外周シール部材２７が形成されている。

また、アノードセパレータ１５Ａの膜電極接合体１４と接する面には、図４に示すように、前記燃料ガス導入用マニホールド２１から燃料ガス流路１８へと燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａが形成されている。また、かかるアノードセパレータ１５Ａの反対側の面には、冷却水導入用マニホールド２２から冷媒流路２０へと冷却水を流通させるための冷却水流路形成用シール部材２８Ｂが形成されている。

なお、図示は省略するが、このアノードセパレータ１５Ａには、燃料ガス流路１８から燃料ガス排出用マニホールド２６へと燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路形成用シール部材と、冷媒流路２０から冷却水排出用マニホールド２５へと冷却水を流通させるための冷却水流路形成用シール部材も同様に形成されている。

一方、カソードセパレータ１５Ｂの膜電極接合体１４と接する面には、図５に示すように、酸化剤ガス導入用マニホールド２３から酸化剤ガス流路１９へと酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃと、燃料ガス導入用マニホールド２１と冷却水導入用マニホールド２２を分離する流路分離シール部材２８Ｄが形成されている。なお、カソードセパレータ１５Ｂの反対側の面には、流路形成用シール部材は形成されていない。

このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とからなる燃料電池単セル２は、アノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂで膜電極接合体１４をその両側から挟み込むようにして積層され、当該膜電極接合体１４の外周縁部に沿って設けられた外周シール部材２７と各流路形成用シール部材２８Ａ〜２８Ｄを介して上下のセパレータ１５、１５同士を接合一体化することで構成されている。

そして特に本実施の形態では、燃料電池単セル２の複数個を積層したときにアノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂの積層部分において一方のセパレータ１５に形成された流路形成用シール部材と対応する近傍位置に、該流路形成用シール部材の受けとなる凸部が形成されている。

この凸部について、以下に説明する。図６は、図４及び図５の各位置におけるそれぞれの断面図を示し、（Ａ）はＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線断面図である。

図６の各線位置の断面図に示すように、積層されたアノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂの外周縁部にそれぞれ設けた外周シール部材２７は、何れも積層方向において直線上に重なる。そのため、積層される上下の外周シール部材２７の一方が他方の受けとなり、スタック時の加圧によって外周シール部材２７が充分に潰れ、当該外周縁部が確実にシールされる。

この一方、アノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂが積層される部分において、燃料ガス導入用マニホールド２１、冷却水導入用マニホールド２２及び酸化剤ガス導入用マニホールド２３からそれぞれに対応する燃料ガス流路１８、酸化剤ガス流路１９及び冷媒流路２０に至る領域（以下、この領域をディフューザ領域という）では、各線位置の断面図で示すように、燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ、冷却水流路形成用シール部材２８Ｂ、酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの重なりが生じない。

このままでは、図７に示すように、これらアノードセパレータ１５Ａ、膜電極接合体１４及びカソードセパレータ１５Ｂを加圧して積層すると、厚みの薄いアノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂがこれら流路形成用シール部材２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃによって押されて変形し、当該流路形成用シール部材２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃを充分に潰すことができずシール不良となる。

そこで例えば、アノードセパレータ１５Ａのディフューザ領域に、図８に示すように、燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａと酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃに対するそれぞれの重なりとなる受け部２９、３０を、これら燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ及び酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃと同一パターンに形成した場合、これら受け部２９、３０が各マニホールド２１、２２、２３からアクティブ領域への流路を遮断することになる。

本実施の形態では、前記受け部２９、３０を連続して形成するのではなく、前記各流路形成用シール部材に沿って突起部である第１凸部３１と第２凸部３２を、所定間隔を置いて複数形成する。

例えば、アノードセパレータ１５Ａには、図４及び図６に示すように、カソードセパレータ１５Ｂに形成した酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの受けとなる第１凸部３１を、当該酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃに沿って所定間隔を置いて複数形成する。具体的には、第１凸部３１は、例えば先端が円弧状とされた円錐体（或いは球体）として形成し、積層されるカソードセパレータ１５Ｂに向かって突出（図４の紙面に対して上向きに突出）して設け、冷却水導入用マニホールド２２から冷媒流路２０へと流れる冷却水の流れを阻止しないように所定間隔を置いて配置する。

第２凸部３２は、第１凸部３１の両側近傍部にそれぞれ所定間隔を置いて複数形成する。具体的には、第２凸部３２は、第１凸部３１と同様、先端が円弧状とされた円錐体或いは球体として形成し、積層されるカソードセパレータ１５Ｂとは反対側に向かって突出（図４の紙面に対して下向きに突出）して設ける。

一方、カソードセパレータ１５Ｂには、図５及び図６に示すように、アノードセパレータ１５Ａに形成された燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａの受けとなる第１凸部３１と、この第１凸部３１の両側近傍部に第２凸部３２をそれぞれ所定間隔を置いて複数形成する。このカソードセパレータ１５Ｂでは、第１凸部３１は、積層されるアノードセパレータ１５Ａに向かって突出（図５の紙面に対して下向きに突出）して設け、第２凸部３２は、この第１凸部３１とは反対側に向かって突出（図５の紙面に対して上向きに突出）させている。そのため、アノードセパレータ１５Ａに形成された第１凸部３１とカソードセパレータ１５Ｂに形成された第１凸部３１、及び、アノードセパレータ１５Ａに形成された第２凸部３２とカソードセパレータ１５Ｂに形成された第２凸部３２とは、その突出する方向を異にしている。

このように、本実施の形態によれば、燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ及び酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの受けとなる第１凸部３１と、この第１凸部３１の両側近傍部に反対方向に突出する第２凸部３２を設けることで、当該第１凸部３１及び第２凸部３２がこれら燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａと酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの受け（支え）となり、スタック加圧時に厚みの薄いアノードセパレータ１５Ａ及びカソードセパレータ１５Ｂを変形させることなく、これら燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ及び酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃを充分に潰すことができる。

したがって、本実施の形態によれば、アノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂ間を確実にシールすることができ、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の漏れを無くすことができる。また、これら燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ及び酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの反発力を第１凸部３１及び第２凸部３２が受け止めることになるからアノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂの変形を防止できる。

また、本実施の形態によれば、第１凸部３１及び第２凸部３２を所定間隔を置いて形成しているので、ディフューザ領域において燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流れる道（流路）を確保することができ、発電及び冷却効率を妨げることがない。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、上述の実施の形態では、第１凸部３１及び第２凸部３２の形状を円錐体または球体としたが、流路の妨げにならない形状であれば、図９及び図１０に示すように、台形状であっても同様の効果が得られる。

また、上述の実施の形態では、第１凸部３１の両側近傍部に、この第１凸部３１とは反対方向に突出する第２凸部３２を設けることにより、燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ及び酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの反発力に対する抗力をより一層強いものとしたが、第２凸部３２が無くても第１凸部３１だけでもこれら燃料ガス流路形成用シール部材２８Ａ及び酸化剤ガス流路形成用シール部材２８Ｃの潰れを充分に確保することができ、シール性を高めることができる。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池スタックの積層構造を示す斜視図である。 燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。 燃料電池スタックをアノードセパレータの位置から分離して示したときのアノードセパレータの要部拡大平面図である。 燃料電池スタックをカソードセパレータの位置から分離して示したときのカソードセパレータの要部拡大平面図である。 図４及び図５の各位置におけるそれぞれの断面図を示し、（Ａ）はＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線断面図である。 第１凸部及び第２凸部を設けなかった場合において、シール部材の反発力によってセパレータが変形した状態を示す断面図である。 ディフューザ領域に燃料ガス流路形成用シール部材と酸化剤ガス流路形成用シール部材に対する重なり部を形成したアノードセパレータの要部拡大平面図である。 第１凸部及び第２凸部を台形状としたときの燃料電池スタックの一部を示す断面図である。 第１凸部及び第２凸部を台形状としたときの斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１５Ａ…アノードセパレータ
１５Ｂ…カソードセパレータ
１６…凹条部
１７…凸条部
１８…燃料ガス流路
１９…酸化剤ガス流路
２０…冷媒流路
２１…燃料ガス導入用マニホールド
２２…冷却水導入用マニホールド
２３…酸化剤ガス導入用マニホールド
２７…外周シール部材
２８Ａ…燃料ガス流路形成用シール部材
２８Ｂ…冷却水流路形成用シール部材
２８Ｃ…酸化剤ガス流路形成用シール部材
３１…第１凸部
３２…第２凸部

Claims (5)

1. 発電に寄与する領域に形成された凹凸形状からなる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路と、
   少なくとも前記各流路に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を供給する燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガス用マニホールド及び冷媒用マニホールドと、
   外周縁部に沿って設けられた外周シール部材と、
   前記燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガス用マニホールド及び冷媒用マニホールドからそれぞれの燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路へと燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を流通させるための流路形成用シール部材と、
   前記各マニホールドからそれぞれに対応する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路へと至る領域であって、燃料電池単セルの複数個を積層したときにアノードセパレータとカソードセパレータの積層部分において一方のセパレータに形成された流路形成用シール部材と対応する近傍位置に、該流路形成用シール部材の受けとなる凸部とを備えた
   ことを特徴とするセパレータ。
2. 高分子電解質膜の両面にアノードセパレータとカソードセパレータを配置してなる燃料電池単セルの複数個を積層することで構成される燃料電池スタックにおいて、
   前記アノードセパレータと前記カソードセパレータが積層される部分であって、アノードセパレータまたはカソードセパレータに形成された燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガス用マニホールド及び冷媒用マニホールドから発電に寄与する領域に形成された燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路に至る領域に、一方のセパレータに形成された流路形成用シール部材と対応する近傍位置に、該流路形成用シール部材の受けとなる第１凸部を設けた
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１凸部を前記流路形成用シール部材に沿って所定間隔を置いて複数形成した
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１凸部の近傍部に、前記第１凸部の突出方向と反対方向に突出する第２凸部を設けた
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
5. 少なくとも請求項２から請求項４の何れか一つに記載される燃料電池スタックであって、
   前記第１凸部間または第２凸部間を、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒の何れかが流れる
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

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