JP2007311079A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの溶接部位にシール材が対峙する場合において、アノード側のシール性を少ない潰れ量で維持する燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】電解質膜電極接合体１をその両側からガス流路を画成して挟む金属製のアノード及びカソードの各セパレータ２，３を備える単位燃料電池１０を複数積層してなる燃料電池スタック１００において、隣接して積層されるアノードセパレータ２とカソードセパレータ３とを互いに溶接することによって形成されるセパレータ接合体１５と、セパレータ接合体１５と電解質膜電極接合体１との間をシールするための弾性を有するシール材１７とを備え、セパレータ接合体１５に形成された溶接部位２０にシール材１７が対峙する場合において、セパレータ接合体１５は、同一のシール面圧を得うるシール材１７の必要潰れ量が小さくて済む面をアノード側として配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものであり、特には、金属製のセパレータを有する燃料電池スタックに関するものである。

従来、燃料電池に用いられるセパレータとしては、グラファイトや、樹脂と黒鉛粉末を主成分とした複合材料を機械加工またはモールド成形したカーボン系セパレータが多く用いられていた。

しかし、車両等の移動体へ燃料電池を搭載する場合には、小型化とそれに伴う出力密度向上が要求されるため、近年は、薄型化が可能である金属製のセパレータの開発が行われている。

金属製のセパレータを用いる場合における燃料電池セルのシール方法としては、セパレータ間へのシール材設置や、セパレータ上へのシール材の成形や、接着剤によるシール等がある（例えば、特許文献１〜３）。
特開２００３−２２０６６４ 特開２００５−２９４０９８ 特開平６−１９６１７７

金属製のセパレータを用いる場合において、セパレータ間の接合を溶接によって行った場合には、溶接部位及びその裏面には、溶接によって表面状態や表面形状の変化が生じる。

溶接部位又はその裏面にシール材が対峙した場合には、溶接によって生じた表面状態や表面形状によって、シール性能が変化する。

ここで、燃料電池に用いられるアノードガスは、水素含有ガスであるため可燃性でかつ拡散性が高い。また、電解質膜にフッ素系膜を使用した場合、アノード側ではカソード側と比較してシール材を劣化させる要因となるフッ酸の溶出が多い。このことから、アノード側ではカソード側と比較して高いシール性能が要求される。

本発明は、溶接部位にシール材が対峙する場合において、アノード側のシール性を少ない潰れ量で維持させることを目的とする。

本発明は、一対の電極で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極接合体と、前記電解質膜電極接合体をさらにその両側からガス流路を画成して挟む金属製のアノード及びカソードの各セパレータとを備える単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関する。本燃料電池スタックは、隣接して積層されるアノードセパレータとカソードセパレータとを互いに溶接することによって形成されるセパレータ接合体と、前記セパレータ接合体と前記電解質膜電極接合体との間をシールするための弾性を有するシール材とを備え、前記セパレータ接合体に形成された溶接部位にシール材が対峙する場合において、前記セパレータ接合体は、同一のシール面圧を得うる前記シール材の必要潰れ量が小さくて済む面をアノード側として配置される。

本発明によれば、セパレータを、高いシール性能が要求されるアノード側において、シール材の潰し量が小さくて済むように配置したため、アノード側のシール材にかかる負荷を抑えることができ、アノード側のシール性を維持することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１〜４を参照して、本発明の実施の形態１の燃料電池スタック１００について説明する。

まず、図１及び図２を参照して、燃料電池スタック１００の全体構成について説明する。図１は燃料電池スタック１００を示す断面図であり、図２は燃料電池スタック１００におけるガス流れ方向と垂直な断面を示す断面図である。

燃料電池スタック１００は、固体高分子形の単位燃料電池１０を複数積層したものであり、燃料電池車両等の移動体の駆動源となるものである。なお、図１及び図２に示す燃料電池スタック１００は、燃料電池スタック１００の一部を示すものである。

単位燃料電池１０は、電解質膜電極接合体１と、電解質膜電極接合体１の一方の面にアノードガス流路２ａを画成して配置されたアノードセパレータ２と、電解質膜電極接合体１の他方の面にカソードガス流路３ａを画成して配置されたカソードセパレータ３とを備える。

このように、単位燃料電池１０は、電解質膜電極接合体１と、電解質膜電極接合体１をその両側から挟む各セパレータ２、３とによって構成される。

電解質膜電極接合体１は、電解質膜４と、電解質膜４を挟んで配置され電極触媒層５とガス拡散層６とを有する一対の電極７とによって構成される。

一対の電極７のうち一方のアノード極に対してアノードガス流路２ａを通じて水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、他方のカソード極に対してカソードガス流路３ａを通じて酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極７の電極触媒層５にて生じる電気化学反応を利用して、電極７から電気エネルギーを取り出す。なお、図１において符号８および９にて示す空間は燃料ガスまたは酸化剤ガスマニホールドである。

電解質膜４には、フッ素系の陽イオン交換膜を用いた。また、ハイドロカーボン系の膜を用いてもよい。

電極触媒層５は、白金担持カーボンを電解質膜４にホットプレスすることによって成形した。また、活性炭、又は黒鉛等に白金とルテニウム等の金属との合金を担持させてもよい。

ガス拡散層６には、カーボンペーパーを用いた。また、カーボンクロスや他の導電性多孔体を用いてもよい。

なお、アノード極、カソード極で異なる仕様のものを用いてもよい。

アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は金属製であり、プレス成形によって、ガス流路として機能する波状部１２ａ，１３ａと、波状部１２ａ，１３ａの外縁に平板状に形成された平板部１２ｂ，１３ｂとが形成される。

なお、プレス成形の代わりに、機械加工、エッチング等の他の成形方法を用いてもよい。

隣接して積層されるアノード及びカソードの一対のセパレータ２，３は、互いに溶接されることによって接合され、セパレータ接合体１５を構成する。具体的には、一対のセパレータ２，３は、互いの平板部１２ｂ，１３ｂが接触して積層されるため、その平板部１２ｂ，１３ｂの周囲を溶接することによって接合される。

接合された一対のセパレータ２，３の間には、冷却水等の冷媒を流すための複数の冷媒流路１６が形成される。

アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３はステンレス製であり、溶接はレーザ溶接を用いた。

セパレータの材料としては、アルミニウムやチタン等の金属を用いてもよいし、耐腐食性及び導電率向上のために、めっきやコーティング等の表面処理を行ってもよい。また、溶接の方法としては、Ｍｉｇ溶接、Ｔｉｇ溶接、電子ビーム溶接等の他の方法を用いてもよい。

燃料電池スタック１００の外周には、アノードガス及びカソードガスの外部への漏洩を防止することを目的として、セパレータ接合体１５と電解質膜電極接合体１との間をシールするシール材１７が配置される。

シール材１７は、弾性を有するものであり、例えばシリコンによって成形される。

シール材１７は、図２に示すように、電解質膜電極接合体１の外周から突出して延在した電解質膜４の両面に、樹脂製の支持層１８を介して接着される。そして、電解質膜４とセパレータ接合体１５の外縁部１５ａとによって、圧縮して潰された状態で配置される。

シール材１７が潰されることによって、シール材１７は、セパレータ接合体１５の外縁部１５ａに対して反力を作用させる。この反力によって、セパレータ接合体１５と電解質膜電極接合体１との間がシールされる。

なお、シール材１７は、支持層１８を介さずに直接電解質膜４の表面に接着するようにしてもよい。

次に、図３及び図４を参照して、セパレータ接合体１５の溶接部位２０とシール材１７との接触部分について、詳しく説明する。図３はセパレータ接合体１５の溶接部位２０とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図であり、図４はシール材１７のシール面圧と潰れ量との関係を示すグラフである。

アノード側では、可燃性でかつ拡散性が高い水素ガスの漏洩を防止する必要があり、また、シール材の劣化の原因となるフッ酸が電解質膜から溶出されやすい。したがって、アノード側におけるシール環境は、カソード側と比較して厳しい。

このことから、アノード側における、シール性を確保するために必要とするシール材１７の反力である必要シール面圧は、カソード側と比較して大きい。このように、アノード側は、高いシール性能が要求される。

金属を溶接によって接合すると、溶接が施された金属表面の状態が変化する。したがって、セパレータ接合体１５においても、溶接が施されたセパレータ表面及びその裏面の表面状態は変化する。

セパレータ接合体１５に形成された溶接部位２０にシール材１７が対峙する場合、つまり、溶接部位２０とシール材１７との接触によってガスシールが行われる場合には、溶接部位２０の状態がシール性能に大きく影響する。

図４を参照して、溶接部位２０の表面状態とシール性能との関係を説明する。図４は、シール材１７のシール面圧と潰れ量との関係を示したグラフであり、グラフ中、曲線１は溶接が施されていない面（平らな面）をシールする場合のものであり、曲線２は溶接部位２０が凸形状（図３符合２０ａ）の面をシールする場合のものであり、曲線３は溶接部位２０が凹形状（図３符合２０ｂ）の面をシールする場合のものである。なお、曲線の傾きは、シール材の材料等の特性によって決まるもので、グラフ中の曲線の傾きはある一例を示すものである。

グラフ中、横軸と平行な直線４は、シールを確保するために必要とする面圧、すなわち必要シール面圧である。したがって、曲線１、２、３と直線４との交点（図中○印）が、それぞれの場合におけるシールを確保するために必要なシール材１７の潰れ量、すなわち必要潰れ量である。

この図４からわかるように、溶接による表面状態の変化は、シール材１７の必要潰れ量を増加させる。また、溶接部位２０の形状によって比較した場合には、凸形状の場合の方が、凹形状の場合と比較して必要潰れ量が小さい。つまり、凸形状は凹形状と比較して、同一のシール面圧を得うるシール材の必要潰れ量が小さくて済む。

以上のように、溶接部位２０の表面状態によってシール材１７の必要潰れ量は変化する。また、上記したようにアノード側では、カソード側よりも必要シール面圧が大きく、シール材１７の必要潰れ量が大きいため、シール材１７にかかる負荷が大きい。

このことから、セパレータ接合体１５に形成された溶接部位２０にシール材１７が対峙する場合において、アノード側のシール材１７の負荷を低減し安定したシールを行うためには、セパレータ接合体１５の両面のうち、シール材１７の必要潰れ量が小さくて済む面をアノード側として配置することが有効となる。

すなわち、図３に示すように、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０のうち、一方の面の溶接部位２０が凸形状２０ａであり、他方の面の溶接部位２０が凹形状２０ｂである場合には、セパレータ接合体１５は、凸形状２０ａの溶接部位２０を有する面２０ｃ（図３中下側）をアノード側として配置する。

このことから、例えばレーザ溶接を行う場合には、溶接範囲、出力、照射距離によるセパレータの変形形状を予め把握しておくことが望ましく、また、溶接部位２０の凸形状２０ａがアノード側のシール材１７と対峙するように溶接方向を規定するのが望ましい。

以上の本実施の形態１では、セパレータ接合体１５を、高いシール性能が要求されるアノード側において、シール材１７の潰し量が小さくて済むように配置した。したがって、アノード側のシール材１７にかかる負荷を抑えることができるため、アノード側のシールを安定して行うことができると共に、シール材１７の耐久性を向上させることができる。

（実施の形態２）
次に、図５及び図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図５はセパレータ接合体１５の溶接部位２０とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図であり、図６はシール材１７のシール面圧と潰れ量との関係を示すグラフである。

実施の形態２に係る燃料電池スタックの全体構成は、上記実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と同様の構成であるため説明を省略する。

実施の形態１では、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０のうち、一方の面の溶接部位２０のみが凸形状２０ａである場合について示した。これに対して、本実施の形態２では、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が、図５に示すように、双方とも凸形状２０ａの場合についてである。

溶接部位２０が凸形状２０ａである場合におけるシール材１７のシール面圧と潰れ量との関係を図６に示す。

図６に示すグラフ中、曲線１は参考として溶接が施されていない面（平らな面）をシールする場合のものであり、曲線２、曲線３は、それぞれ溶接部位２０の溶接幅が相対的に小さい面と大きい面をシールする場合のものである。なお、曲線の傾きは、シール材の材料等の特性によって決まるもので、グラフ中の曲線の傾きはある一例を示すものである。

グラフ中、横軸と平行な直線４は、シールを確保するために必要とする面圧、すなわち必要シール面圧である。したがって、曲線１、２、３と直線４との交点（図中○印）が、それぞれの場合におけるシールを確保をするために必要なシール材１７の潰れ量、すなわち必要潰れ量である。

この図６からわかるように、溶接部位２０が凸形状２０ａである場合には、溶接部位２０の溶接幅が小さい方が、必要潰れ量が小さい。つまり、溶接部位２０の溶接幅が小さい場合の方が、溶接幅が大きい場合と比較して、同一のシール面圧を得うるシール材の必要潰れ量が小さくて済む。これは、溶接部位２０の溶接幅が小さい方が、シール材１７のシール特性に与える影響が小さいからである。

以上のことから、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が、双方とも凸形状２０ａの場合には、高いシール性能が要求されるアノード側において、相対的に溶接幅が小さい溶接部位２０を有する面２０ｃ（図５中下側）がシール材１７と対峙するように、セパレータ接合体１５を配置する。

通常、溶接幅は、溶接を施した面、つまり熱が与えられた面における溶接幅の方が、裏面に形成された溶接幅よりも大きくなる。このことから、セパレータ接合体１５に対して行う溶接は、カソード側のシール材１７と対峙する面に対して施すことが有効である。

以上の実施の形態２では、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が双方とも凸形状２０ａの場合に、セパレータ接合体１５を、高いシール性能が要求されるアノード側において、シール材１７の潰し量が小さくて済むように配置した。したがって、アノード側のシール材１７にかかる負荷を抑えることができるため、アノード側のシールを安定して行うことができると共に、シール材１７の耐久性を向上させることができる。

（実施の形態３）
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図７はセパレータ接合体１５の溶接部位２０とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図である。

実施の形態３に係る燃料電池スタックの全体構成は、上記実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と同様の構成であるため説明を省略する。

実施の形態３は、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が、図７に示すように、双方とも凹形状２０ｂの場合についてである。

溶接部位２０が凹形状２０ｂである場合には、上記実施の形態２と同様の考え方により、溶接部位２０の溶接幅が小さい方が、必要潰れ量が小さい。つまり、溶接部位２０の溶接幅が小さい場合の方が、溶接幅が大きい場合と比較して、同一のシール面圧を得うるシール材の必要潰れ量が小さくて済む。

このことから、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が、双方とも凹形状２０ｂの場合には、高いシール性能が要求されるアノード側において、相対的に溶接幅が小さい溶接部位２０を有する面２０ｃ（図７中下側）がシール材１７と対峙するように、セパレータ接合体１５を配置する。

以上の本実施の形態３では、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が双方とも凹形状２０ｂの場合に、セパレータ接合体１５を、高いシール性能が要求されるアノード側において、シール材１７の潰し量が小さくて済むように配置した。したがって、アノード側のシール材１７にかかる負荷を抑えることができるため、アノード側のシールを安定して行うことができると共に、シール材１７の耐久性を向上させることができる。

（実施の形態４）
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。図８はセパレータ接合体１５の溶接部位２０とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図である。

実施の形態４に係る燃料電池スタックの全体構成は、上記実施の形態１に係る燃料電池スタック１００と同様の構成であるため説明を省略する。

実施の形態４は、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が、図８に示すように、双方とも凹凸形状２０ｄの場合についてである。凹凸形状とは、溶接部位２０が、凸形状２０ａと凹形状２０ｂとの双方にて構成されている形状である。

溶接部位２０が凹凸形状２０ｄである場合には、上記実施の形態２と同様の考え方により、溶接部位２０の溶接幅が小さい方が、必要潰れ量が小さい。つまり、溶接部位２０の溶接幅が小さい場合の方が、溶接幅が大きい場合と比較して、同一のシール面圧を得うるシール材の必要潰れ量が小さくて済む。

このことから、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が、双方とも凹凸形状２０ｄの場合には、高いシール性能が要求されるアノード側において、相対的に溶接幅が小さい溶接部位２０を有する面２０ｃ（図８中下側）がシール材１７と対峙するように、セパレータ接合体１５を配置する。

以上の本実施の形態４では、セパレータ接合体１５の両面に形成された溶接部位２０が双方とも凹凸形状２０ｄの場合に、セパレータ接合体１５を、高いシール性能が要求されるアノード側において、シール材１７の潰し量が小さくて済むように配置した。したがって、アノード側のシール材１７にかかる負荷を抑えることができるため、アノード側のシールを安定して行うことができると共に、シール材１７の耐久性を向上させることができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、燃料電池自動車等の移動体に搭載される燃料電池スタックに適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池セパレータ１００を示す断面図である。 同じく燃料電池セパレータ１００におけるガス流れ方向と垂直な断面を示す断面図である。 同じく燃料電池セパレータ１００においてセパレータ接合体１５の溶接部位とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図である。 シール材１７のシール面圧と潰れ量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２においてセパレータ接合体１５の溶接部位とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図である。 シール材１７のシール面圧と潰れ量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態３においてセパレータ接合体１５の溶接部位とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図である。 本発明の実施の形態４においてセパレータ接合体１５の溶接部位とシール材１７とが対峙する部分の拡大概略図である。

符号の説明

１００ 燃料電池スタック
１ 電解質膜電極接合体
２ アノードセパレータ
２ａ アノード流路
３ カソードセパレータ
３ａ カソード流路
４ 電解質膜
５ 電極触媒層
６ ガス拡散層
７ 電極
１０ 単位燃料電池
１５ セパレータ接合体
１６ 冷媒流路
１７ シール材
１８ 支持層
２０ 溶接部位
２０ａ 凸部
２０ｂ 凹部
２０ｄ 凹凸部

Claims (5)

1. 一対の電極で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極接合体と、
   前記電解質膜電極接合体をさらにその両側からガス流路を画成して挟む金属製のアノード及びカソードの各セパレータと、
   を備える単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、
   隣接して積層されるアノードセパレータとカソードセパレータとを互いに溶接することによって形成されるセパレータ接合体と、
   前記セパレータ接合体と前記電解質膜電極接合体との間をシールするための弾性を有するシール材とを備え、
   前記セパレータ接合体に形成された溶接部位にシール材が対峙する場合において、前記セパレータ接合体は、同一のシール面圧を得うる前記シール材の必要潰れ量が小さくて済む面をアノード側として配置される
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記セパレータ接合体の両面に形成された溶接部位のうち、一方の面の溶接部位が凸形状である場合、前記セパレータ接合体は、当該凸形状の溶接部位を有する面をアノード側として配置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. 前記セパレータ接合体の両面に形成された溶接部位が、双方とも凸形状である場合、前記セパレータ接合体は、溶接幅が小さい溶接部位を有する面をアノード側として配置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。
4. 前記セパレータ接合体の両面に形成された溶接部位が、双方とも凹形状である場合、前記セパレータ接合体は、溶接幅が小さい溶接部位を有する面をアノード側として配置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。
5. 前記セパレータ接合体の両面に形成された溶接部位が、双方とも凹凸形状である場合、前記セパレータ接合体は、溶接幅が小さい溶接部位を有する面をアノード側として配置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。