JP2009301750A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部セパレータの変形によるシール性の低下を良好に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端部に配置される端部単位セル１２ａは、第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して端部シール部材５４ａを設ける。端部シール部材５４ａの積層方向の厚さは、単位セル１２に設けられる第１シール部材５４の積層方向の厚さよりも大きく設定され、前記端部シール部材５４ａは、前記第１シール部材５４よりも弾性率が小さく設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを有し、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を備える燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。

この場合、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の漏れを防止するために、気密性及び液密性が要求されている。このため、例えば、特許文献１には、セパレータにシール部材を一体成形するシリコーン樹脂−金属複合体が開示されている。

この従来技術では、図６に示すように、セパレータ１、電極２及びスペーサ３が組み合わされて単電池ユニット４が構成されている。セパレータ１は、セパレータ本体５の両面にシリコーン樹脂層からなるシール材６ａ、６ｂが一体成形されるとともに、前記シール材６ａには、凸状のリブ７が形成されている。

特開平１１−１２９３９６号公報

ところで、上記の単電池ユニット４は、積層方向両端にエンドプレート等の端部部材が配設されて燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池スタックに外部からの荷重が付与されると、各セパレータ１同士は、シール材６ａ、６ｂが変形することによって衝撃を吸収することが可能である。

しかしながら、積層方向端部に配置されている端部セパレータ１は、剛体である端部部材に隣接している。このため、端部セパレータ１自体では、十分な衝撃吸収機能を有することができない場合がある。これにより、端部セパレータ１は、衝撃荷重により変形した際に、シール材６ａ、６ｂによるシール性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部セパレータの変形によるシール性の低下を良好に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを有し、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を備える燃料電池スタックに関するものである。

積層体の少なくとも積層方向一端部に配置される端部単位セルは、前記端部単位セルに隣接する端部部材との間に端部シール部材を設け、前記端部シール部材は、前記積層体の内方に配置される他の単位セルに設けられるシール部材よりも弾性率が小さく設定されている。

また、端部シール部材は、端部単位セルに設けられるとともに、前記端部シール部材は、他の単位セルに設けられるシール部材よりも積層方向の寸法が大きく設定されることが好ましい。

さらに、端部シール部材は、端部単位セルに設けられるシール部材と、前記端部単位セルに隣接する端部部材に設けられ、前記端部単位セルの前記シール部材が当接する弾性部材とを有することが好ましい。

さらにまた、端部部材は、エンドプレート又は絶縁プレートであることが好ましい。

本発明では、端部単位セルと端部部材との間に設けられる端部シール部材は、他の単位セルに設けられるシール部材よりも弾性率が小さく設定されるため、外部からの荷重が付与された際、前記端部シール部材の変形量が比較的大きくなって衝撃荷重を容易に吸収することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、端部セパレータの変形によるシール性の低下を良好に抑制することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、縦長の長方形状に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状のケーシング２４により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１及び第２金属セパレータ３２、３４とは、縦長の長方形状に構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３８ａが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

単位セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、前記単位セル１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が矢印Ｃ方向に沿って形成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が矢印Ｂ方向に沿って形成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、矢印Ｃ方向に沿って酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。

図２に示すように、積層体１４の積層方向一端部（エンドプレート２０ａ側）に配置される端部単位セル１２ａは、第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して端部シール部材５４ａを設ける。端部シール部材５４ａは、ターミナルプレート１６ａ（又は絶縁プレート１８ａ）に接着されることが好ましい。衝撃が付与された際にずれを防止することができ、燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを阻止することが可能になるからである。

端部シール部材５４ａは、積層体１４の内方に配置される単位セル１２に設けられる第１シール部材５４よりも弾性率が小さく設定される。すなわち、端部シール部材５４ａは、第１シール部材５４よりも大きな変形量を有する。

第１の実施形態では、端部シール部材５４ａは、第１シール部材５４と同一の材質で構成されるとともに、前記端部シール部材５４ａの積層方向（矢印Ａ方向）の厚さｔ１は、単位セル１２に設けられる第１シール部材５４の積層方向の厚さｔ２よりも大きく設定される（ｔ１＞ｔ２）。

なお、積層体１４の積層方向他端部に配置される端部単位セル１２ｂは、上記の端部単位セル１２ａと同様に構成してもよい。また、端部シール部材５４ａは、第１シール部材５４と異なる材質で構成されることにより、同一厚さで且つ前記第１シール部材５４よりも小さな弾性率に設定することができる。

第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの中央部側には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向及び短手方向の中央部に形成された孔部５９ａ、５９ｂを通って外部に突出するとともに、前記端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、車両走行用モータ等の負荷が接続される。

ケーシング２４は、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。

側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。側板６０ａ〜６０ｄは、アングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６５を介して互いに固定され、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺（短辺）には、それぞれ１つの第１支持部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺（長辺）には、それぞれ２つの第１支持部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２支持部７０ａ、７０ｂが３つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２支持部７２ａ、７２ｂが２つずつ形成される。

図４に示すように、側板６０ａ、６０ｃの各第２支持部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１支持部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２支持部７２ａ、７２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１支持部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口７６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口７８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口７６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口７８ｂが設けられる。

エンドプレート２０ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する冷却媒体入口８０ａと、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口８０ｂとが設けられる。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口７６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口７８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート２０ｂの冷却媒体入口８０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び冷却媒体供給連通孔４０ａに、それぞれ酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス出口７６ｂから外部に排出される（図４参照）。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３８ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａの燃料ガス出口７８ｂから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入され、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂを移動してエンドプレート２０ｂの冷却媒体出口８０ｂから排出される（図１参照）。

この場合、例えば、燃料電池スタック１０に積層方向に外部荷重（衝撃）が付与されると、各単位セル１２は、それぞれの第１及び第２シール部材５４、５６自体の変形や隣接する他の単位セル１２の第１及び第２シール部材５４、５６の変形により、衝撃を吸収することができる。一方、積層体１４の積層方向一端部に配置される端部単位セル１２ａは、剛体であるターミナルプレート（端部部材）１６ａに直接接しており、他の単位セル１２による十分な緩衝効果を得ることができない。

そこで、第１の実施形態では、端部単位セル１２ａを構成する第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して、端部シール部材５４ａが設けられている。その際、端部シール部材５４ａの積層方向の厚さｔ１は、単位セル１２に設けられる第１シール部材５４の積層方向の厚さｔ２よりも大きく設定されている（図２参照）。

従って、燃料電池スタック１０に積層方向に衝撃が付与されると、端部単位セル１２ａでは、第１金属セパレータ３２に設けられている端部シール部材５４ａが、ターミナルプレート１６ａに対向して比較的大きく変形することができる。これにより、端部シール部材５４ａは、衝撃荷重を有効に吸収することが可能になり、簡単且つ経済的な構成で、第１金属セパレータ３２の変形によるシール性の低下を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部断面側面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック９０を構成する絶縁プレート９２ａ、９２ｂは、それぞれの内面側に凹部９４ａ、９４ｂを有するとともに、前記凹部９４ａ、９４ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容されている。

積層体１４の積層方向一端部（エンドプレート２０ａ側）に配置される端部単位セル１２ｃは、第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して端部シール部材である第１シール部材５４を設ける。絶縁プレート（端部部材）９２ａは、第１シール部材５４が当接する弾性部材、例えば、ゴム部材９６を設ける。第１シール部材５４及びゴム部材９６により、端部シール部材９８が構成される。

このように構成される第２の実施形態では、端部単位セル１２ｃは、他の単位セル１２の第１及び第２シール部材５４、５６と同一の第１及び第２シール部材５４、５６を設けるとともに、前記第１シール部材５４は、ゴム部材９６に当接して端部シール部材９８が構成されている。

従って、第１シール部材５４は、剛体である絶縁プレート９２ａに直接接触することがなく、燃料電池スタック９０に積層方向に衝撃が付与された際、前記第１シール部材５４及びゴム部材９６の変形作用下に、衝撃を有効に吸収することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、第１金属セパレータ３２の変形によるシール性の低下を良好に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、絶縁プレート１８ａ、１８ｂに代えて、絶縁プレート９２ａ、９２ｂを用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。 従来技術の単電池ユニットの説明図である。

符号の説明

１０、９０…燃料電池スタック １２…単位セル
１２ａ〜１２ｃ…端部単位セル １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ５４、５６…シール部材
５４ａ、９８…端部シール部材 ６０ａ〜６０ｄ…側板
６４ａ、６４ｂ…連結ピン ９２ａ、９２ｂ…絶縁プレート
９６…ゴム部材

Claims (4)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを有し、前記単位セルが水平方向に複数積層された積層体を備える燃料電池スタックであって、
   前記積層体の少なくとも積層方向一端部に配置される端部単位セルは、前記端部単位セルに隣接する端部部材との間に端部シール部材を設け、
   前記端部シール部材は、前記積層体の内方に配置される他の単位セルに設けられるシール部材よりも弾性率が小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部シール部材は、前記端部単位セルに設けられるとともに、
   前記端部シール部材は、前記他の単位セルに設けられるシール部材よりも前記積層方向の寸法が大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部シール部材は、前記端部単位セルに設けられるシール部材と、
   前記端部単位セルに隣接する前記端部部材に設けられ、前記端部単位セルの前記シール部材が当接する弾性部材と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部部材は、エンドプレート又は絶縁プレートであることを特徴とする燃料電池スタック。

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