JP2006318785A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックの面圧の均一化と小型化とを両立させる。
【解決手段】 セル積層体２ａを積層方向から挟持する一対のエンドプレート３、４とから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１３または前記カソードセパレータ１４の積層方向厚さから前記各セパレータ１３、１４に備えられた流路の積層方向の深さをそれぞれ差し引いたウェブ厚さＷは、前記セル積層体の積層方向の端部より中央部が薄く形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタック、特に燃料電池スタックを構成するセパレータの形状に関するものである。

通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス、例えば天然ガス、メタノールやガソリン等）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される（例えば、特許文献１参照）。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる。

アノード反応： Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード反応： ２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単セルと呼ぶ。この単セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。

このような燃料電池スタックを車両に搭載するにあたり、燃料電池システムを保護し、安全かつ耐久性の観点から優れた状態で搭載することが望まれるとともに、車両レイアウトの要件から限られた空間内で大きな出力を得ること、つまり燃料電池スタックの高実装密度化が要求される。高実装密度化のために、スタックの同一セルにおける面圧分布を均一化することが一般的である（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２００３−１５１６１１号公報

特許文献２に記載の技術では、高実装密度化をエンドプレートの形状を工夫して、単セルの面圧分布を均一化し、エンドプレートを含む燃料電池スタックの積層方向の寸法を短縮する構成となっている。このようなエンドプレートの形状改良のみでは、燃料電池スタックの小型化の効果を十分に期待することができないという課題がある。

したがって、本発明の目的は、各単セルの面圧分布の均一化を図りつつ、更なる燃料電池スタックの小型化を達成することである。

本発明は、単セルを積層して構成されたセル積層体を積層方向から挟持する一対のエンドプレートを備えた燃料電池スタックにおいて、前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータの積層方向厚さから各セパレータに備えられた前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の積層方向の深さを差し引いたウェブ厚さを前記セル積層体の積層方向の端部より中央部が薄く形成されるものとした。

本発明では、燃料電池スタックの面圧の不均一が生じやすいセル積層体の積層方向端部のセパレータのウェブ厚さは厚く設定し、面圧不均一が生じ難い中央部はウェブ厚さを薄く設定する。これにより、燃料電池スタックの面圧分布の均一化と燃料電池スタックの積層方向長さの短縮化の両立を達成することができる。

図１において、燃料電池スタック１は、起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成される。燃料電池スタック１は、各単セル２を複数積層したセル積層体２ａを備え、このセル積層体２ａの各アノードに燃料ガス及び各カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給して発電を行う。

セル積層体２ａの積層方向の両端面にそれぞれエンドプレート３、４が設置される。図示しないタイロッドがエンドプレート３、４を介してセル積層体２ａを積層方向に締め付け、この圧縮力で、各セル２に所定の面圧が付与される。タイロッドは、例えば、積層方向から見て四角形断面を有するセル積層体２ａとエンドプレート３、４の角部にそれぞれ設けた締結穴５を貫通して設けられる。

燃料電池スタック１には、内装された各単セル２に燃料ガス（水素）、酸化剤ガス（空気、酸素）及び冷媒（水）を供給するためのコレクタ２５、３５、４５が積層方向に形成される。

各単セル２は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、単セル２が１Ｖ程度の起電圧を生じ、燃料電池スタック１は、これらを直列に接続して構成される。

図２は、燃料電池スタック１の積層方向縦断面図であり、単セル２の構成および冷媒コレクタ４５の構成を説明する。

単セル２は、固体高分子電解質膜１０とこの電解質膜１０を挟持するアノード１１およびカソード１２とからなるＭＥＡ２０を備える。アノードセパレータ１３がこのＭＥＡ２０のアノード１１に面して開口する燃料ガス流路１５を備える。アノードセパレータ１３がこの流路１５からアノード１１に燃料ガスを供給する。一方、カソードセパレータ１４はＭＥＡ２０のカソード１２に面して開口する酸化剤ガス流路１６を備える。カソードセパレータ１４は、備えた酸化剤ガス流路１６からカソード１２に酸化剤ガスを供給する。そしてＭＥＡ２０では供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて、前述の式（１）、（２）に示す化学反応が生じる。この化学反応は発熱を伴う化学反応であるため、ＭＥＡ２０は加熱され、昇温するため、冷媒が流通する冷媒流路１７が各セパレータ１３、１４に設けられる。冷媒流路１７は、燃料ガス流路１５または酸化剤ガス流路１６が形成された面の背面に設けられ、冷媒流路１７を通じて冷媒がＭＥＡ２０近傍を流通し、ＭＥＡ２０の熱を吸熱する。

電解質膜１０とアノード１１及びカソード１２は、その外周をそれぞれフレーム１８ａ〜１８ｃに固定される。そしてこれらフレーム１８ａ〜１８ｃ、およびフレーム１８ａ〜１８ｃを積層方向から挟持する各セパレータ１３、１４、さらにエンドプレート３、４を積層方向に貫通して冷媒コレクタ４５が形成される。冷媒コレクタ４５は、各単セル２の冷媒流路１７に冷媒を供給あるいは排出するため、電解質膜１０及び各アノード１１、カソード１２の上下に配置される一対の入口コレクタ４５ａと出口コレクタ４５ｂから構成される。入口コレクタ４５ａは、エンドプレート３を積層方向に貫通する第１貫通孔４６とセル積層体２ａの上部を積層方向に貫通する第２貫通孔４７とが連通して構成され、第２貫通孔４７が冷媒流路１７に接続する。出口コレクタ４５ｂは、エンドプレート４に形成された積層方向に貫通する第３貫通孔４８とセル積層体２ａの下部を貫通して形成された第４貫通孔４９とが連通して形成され、第４貫通孔４９が冷媒流路１７に接続する。外部から入口コレクタ４５ａに供給された冷媒は、各冷媒流路１７に供給され、ＭＥＡ２０の熱を吸熱後、出口コレクタ４５ｂを通じて外部に放出される。図３は、冷媒コレクタ４５とセパレータ１３、１４の冷媒流路１７の位置関係の一例を示す。図では、冷媒コレクタ４５ａ、４５ｂが上下に電解質膜１０を挟むように形成し、左右方向にオフセットして形成することで、冷媒を冷媒流路１７内で均等に流通させる。

図２では、冷媒コレクタ４５と冷媒流路１７の連通状態を示したが、燃料ガスコレクタ２５と燃料ガス流路１５及び酸化剤ガスコレクタ３５と酸化剤ガス流路１６でも同様の構成を有する。

図４は、燃料電池スタック１の積層方向の垂直断面図であり、第１の実施形態としてのセパレータ１３、１４の形状を説明する図である。図４に示す単セル２の構成は図２で示した単セル２と同様の構成を備える。

本実施形態の各単セル２のセパレータ１３、１４は、積層方向の位置に応じてウェブ厚さＷを変更することを特徴とする。ウェブ厚さＷとは、各セパレータ１３、１４の積層方向の厚さＡから、セパレータ表面に形成された各流路１５〜１７の積層方向の幅（深さ）Ｔ１（ガス流路１５、１６分の幅）、Ｔ２（冷媒流路１７分の幅）を引いた厚さ（Ｗ＝Ａ−Ｔ１−Ｔ２）である。

ウェブ厚さＷは、図５または図６に示すように、積層方向において、積層方向中央部に位置する単セル２ｓのセパレータ１３ｓ、１４ｓのウェブ厚さＷ２が最も薄く、エンドプレート３、４近傍のセル積層体２ａ端部に位置する単セル２ｔのセパレータ１３ｔ、１４ｔのウェブ厚さＷ１、Ｗ３が最も厚くなるように徐々にあるいは段階的に形成する。

以下、本実施形態の作用を説明する。

通常、セル積層体２ａを積層方向に締め付けるタイロッド６は、図２に示すようにボルト状をしており、一端には雄ネジが形成され、この雄ネジにナット７を螺合することでエンドプレート３、４を介してセル積層体２ａを積層方向に締め付け、単セル２に面圧が生じる。タイロッド６は、セル積層体２ａ、エンドプレート３、４の角部を貫通して設置されており、ナット７を締め付けることで、エンドプレート３、４の角部が撓む。このため、エンドプレート３、４近傍の単セル２の角部に局部的に荷重が作用し、角部の面圧が他の部位の面圧より高くなり、単セル２の同一面での面圧の不均一が生じる。つまり、この面圧の不均一は、ウェブ厚さＷを一定として構成した場合には、エンドプレート３、４近傍の単セル２ほど面圧が不均一となりやすく、積層方向中央部の単セル２ほど荷重が分散して面圧は均一となる。この面圧の不均一を防止するために、面圧に生じる応力に応じてウェブ厚さＷを厚くする必要が生じ、結果としてすべての単セル２のウェブ厚さＷが厚くなり、燃料電池スタック１の大型化を招いていた。

そこで、本実施形態では、単セル２の面圧とセル積層体２ａ小型化との両立を図る観点からウェブ厚さＷの最適配置を検討し、単セル２の面圧が不均一となりやすいエンドプレート３、４近傍に位置する単セル２ｔのウェブ厚さＷ１、Ｗ３は厚く、面圧を均一に維持しやすい中央部の単セル２ｓのウェブ厚さＷ２は薄く形成するようにした。

このように積層方向の位置に応じてセパレータ１３、１４のウェブ厚さＷを変化させたことにより、面圧の不均一を抑制しつつ、燃料電池スタック１の積層方向の長さを短縮し、小型化と高密度実装化を図ることができる。なお、実際に本実施形態を適用した燃料電池スタックの製造にあたっては、セパレータ１３、１４のウェブ厚さＷの製造バラツキを考慮して、セパレータ１３、１４の配置をウェブ厚さＷが厚いものを端部側の単セル２に使用し、薄いものを中央部の単セル２に使用する。

図７は第２の実施形態としてのセパレータの形状を説明する燃料電池スタック１の積層方向の垂直断面図である。図７は冷媒流路１７を例として説明するが、他の流路１５、１６でも同様に形成することができる。図７において、冷媒は図２の構成と同様に図中左上から入口コレクタ４５ａに供給され、続いて各冷媒流路１７を上下に流通し、出口コレクタ４５ｂから右下に排出されるものとして説明する。

この実施形態のセパレータ１３、１４は、第１の実施形態と同様の構成を有するウェブ厚さＷの特徴を備えるとともに、さらに冷媒流路１７の積層方向の深さＨに特徴を備えたものである。

図７に示すように図示しない外部から冷媒が流入する入口コレクタ４５ａの上流側に位置する単セル２ｘのセパレータ１３ｘ、１４ｘの冷媒流路１７ｘの深さＨ１が浅く形成され、下流側の単セル２ｚのセパレータ１３ｚ、１４ｚの冷媒流路１７ｚの深さＨ３ほど深くなるように形成される。冷媒流路１７の深さＨは、図８、図９に示すように冷媒の流れ方向に対して上流側ほど冷媒流路１７の深さＨ１が浅く、下流側（深さＨ３）ほど深くなるように徐々に、あるいは段階的に形成される。

各セパレータ１３、１４に形成する冷媒流路１７の深さＨを流体の流れ方向に応じて上流ほど浅く、下流ほど深くしたことで、下流の冷媒流路１７ｚの流路断面積ほど大きく形成することができる。

したがって、この実施形態では、各セパレータ１３、１４の構成を第１の実施形態に記載の構成に加え、冷媒流路１７の積層方向の深さＨを流体の流れ方向に対して上流側ほど浅く、下流側ほど深く形成することにより、下流側の冷媒流路１７ｚの流路断面積ほど大きく形成され、図１０に示すように、各単セル２に供給される各流体の流量のバラツキを抑制する。このため、燃料電池スタック１の各単セル２の発電量を平均化して、燃料電池スタック１の発電効率を向上することができる。

図１１、図１２は、各実施形態の各単セル２の電圧検知部１８の形状を示す構成図である。本発明の電圧検知部１８は、各単セル２の発電電圧を検知するため、単セル２の外縁部に設けられた凸状の部位であり、セパレータ１３、１４のウェブ厚さＷまたは各流路１５〜１７の深さＨに応じて、その設置位置が変更されることを特徴とする。

図１１、図１２では、最も厚さの厚いセパレータ１３、１４を備えた単セル群２ｂと、これに隣接し、セパレータ１３、１４のウェブ厚さＷが単セル群２ｂより薄い単セル群２ｃとに形成する各電圧検知部１８ａ、１８ｂの位置を上下にオフセットするように構成した。この実施形態では、各単セル２のウェブ厚さＷを同一とする単セル群２ｂ、２ｃにより電圧検知部１８の位置を変化させるようにしたが流路深さＨに応じて電圧検知部１８を設けてもよい。

この実施形態では、セパレータ１３、１４のウェブ厚さＷまたは流路深さＨに応じて電圧検知部１８の位置を上下に変化させた。これにより例えば、ウェブの厚さ毎に電圧検知部１８の位置を変化させることで、作業者は各セパレータ１３、１４のウェブ厚さの違いを容易に目視により把握する。

したがって、電圧検知部１８の位置を確認することにより、単セル積層組み立て時のセパレータ１３、１４の順番を間違えることがなく、作業性を向上できる。同一または類似のウェブ厚さＷまたは流路深さＨ毎に電圧検知部１８を設けたので、各部毎の電圧をチェックでき、発電効率が均一かどうかを容易に確認することができる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。

燃料電池スタックを示す構成図である。 燃料電池スタックの積層方向縦断面図である。 冷媒コレクタとセパレータの冷媒流路の関係図である。 第１の実施形態の燃料電池スタックの積層方向の垂直断面図である。 セパレータのウェブ厚と単セルの位置の関係の一例を示す図である。 セパレータのウェブ厚と単セルの位置の関係の他の一例を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池スタックの積層方向の垂直断面図である。 セパレータの流路の深さと単セルの位置の関係の一例を示す図である。 セパレータの流路の深さと単セルの位置の関係の他の一例を示す図である。 本発明と従来技術との各単セルへ供給される流体の流量を比較した図である。 各単セルの電圧検知部の構成を示す構成図である。 図１１の電圧検知部の詳細形状図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 単セル
２ａ セル積層体
３、４ エンドプレート
１０ 固体高分子電解質膜
１１ アノード
１２ カソード
１３ アノードセパレータ
１４ カソードセパレータ
１５ 燃料ガス流路
１６ 酸素流路
１７ 冷媒流路
２０ ＭＥＡ

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を介して対峙するアノード及びカソードと、このアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備えたアノードセパレータと、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えたカソードセパレータとから構成される単セルを積層して構成されたセル積層体と、
   このセル積層体を積層方向から挟持する一対のエンドプレートとから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または前記カソードセパレータの積層方向厚さから各セパレータに備えられた前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の積層方向の深さを差し引いたウェブ厚さは、前記セル積層体の積層方向の端部より中央部が薄く形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記ウェブ厚さは、前記セル積層体の積層方向の端部から中央部にかけて徐々にまたは段階的に薄く形成され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. 各セパレータに備えられた前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の積層方向の深さは、前記セル積層体を積層方向に流通する前記各ガスの流れ方向の下流側ほど深く形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の積層方向の深さは、前記セル積層体を積層方向に流通する前記各ガスの流れ方向の下流側ほど徐々にまたは段階的に深く形成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記単セルは、電圧を検出する電圧検知部を外縁部に備え、
   この電圧検知部の配置を前記セパレータのウェブ厚さまたは前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の深さ毎に上下にオフセットして設定することを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の燃料電池スタック。

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