JP2010232004A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】体積を小さくすることが可能であり、スタックケースに収容した場合にスタックケースの内面との間の隙間を確保しやすい燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む積層体と、積層体のセル積層方向の端部の少なくとも一部を覆って絶縁する絶縁シートとを備え、積層体は、セル積層方向の端部に少なくとも１つの凸部を有し、絶縁シートは、先端部がセル積層方向に向かって折り曲げられ、凸部の位置に対応した切込部を有する燃料電池スタックである。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池の単セルを積層した燃料電池スタックに関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

燃料電池の単セルは、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータ等のセパレータで挟んだものから形成される。単セルは複数積層されて燃料電池スタックとされる。隣接する単セルは、セパレータ間を接着剤またはガスケット等のシール材によってシールされる。

図７に従来の燃料電池スタック１００の一例のセル積層方向の端部の様子を示す。複数の単セル１０２は積層されてセル積層体１０４とされ、セル積層体１０４のセル積層方向両端には、ターミナル１０６、インシュレータ１０８、エンドプレート１１０が順に配置され、締結ボルト１１４などの締結部材により積層体１１２がセル積層方向に締め付けられて固定されて燃料電池スタック１００が構成される。燃料電池スタック１００は、通常、スタックケースに収容される。燃料電池スタック１００には、スタックケースに収容されたときに、エンドプレート１１０とスタックケースとを絶縁するために、通常、積層体１１２のセル積層方向の端部を絶縁する絶縁シート１１６が備えられている。

このような従来の燃料電池スタック１００では、積層体１１２には締結ボルト１１４などの締結部材やその他の部材１１８が組み付けられていることが多いため、積層体１１２のセル積層方向の端部には多くの凸部があり、絶縁シート１１６は締結ボルト１１４などの凸部などの形状に合わせて、複雑な曲げ形状に加工する必要があった。

また、絶縁シート１１６の曲げ高さを途中で変えることは困難であるので、複数の凸部があり、それらの高さや形状などが異なる場合、例えば高さの高い凸部（例えば、図６の例では、部材１１８の高さが締結ボルト１１４の高さよりも高くなっている）に合わせて折り曲げ加工する必要があった。このため、燃料電池スタック１００の全体の体積が大きくなってしまうことがあった。また、燃料電池スタック１００をスタックケースに収容したときに、絶縁シート１１６とスタックケースの内面との間の隙間が少なくなり、スタックケースと干渉してしまう場合があった。

なお、特許文献１には、複数の燃料電池スタックと、絶縁カバーとを備え、複数の燃料電池スタックは間隔を置いて並列に配置されており、各燃料電池スタックは、セル積層体、該セル積層体の端部に設けられたターミナルを有しており、絶縁カバーは、燃料電池スタックをセル積層方向に部分的に覆い、かつ、ターミナルを覆っており、絶縁カバーは、セル積層方向におけるターミナルの位置の変動に追従してセル積層方向に位置が変動可能となるように支持されている、燃料電池スタック絶縁構造が記載されている。

特開２００６−２３６７９２号公報

本発明は、体積を小さくすることが可能であり、スタックケースに収容した場合にスタックケースの内面との間の隙間を確保しやすい燃料電池スタックである。

本発明は、燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む積層体と、前記積層体のセル積層方向の端部の少なくとも一部を覆って絶縁する絶縁シートとを備え、前記積層体は、前記セル積層方向の端部に少なくとも１つの凸部を有し、前記絶縁シートは、先端部が前記セル積層方向に向かって折り曲げられ、前記凸部の位置に対応した切込部を有する燃料電池スタックである。

本発明では、先端部がセル積層方向に向かって折り曲げられ、セル積層方向の端部の凸部の位置に対応した切込部を有する絶縁シートを備えることにより、体積を小さくすることが可能であり、スタックケースに収容した場合にスタックケースの内面との間の隙間を確保しやすい燃料電池スタックを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるＭＥＡ（膜電極接合体）の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおける単セルの一例の概略上面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおける単セルの一例を分解した概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一例のセル積層方向の端部の様子を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおける絶縁シートの加工方法の一例を示す概略図である。 従来の燃料電池スタックの一例のセル積層方向の端部の様子を示す概略図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

＜燃料電池スタック＞
図１に、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の一例の概略側面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る燃料電池スタック１０におけるＭＥＡ（膜電極接合体）２８の一例の概略断面図を示す。図１における各単セル１２は、図２に示すＭＥＡ２８の両面をセパレータにより挟持して構成される。

図２に示すように、ＭＥＡ２８は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面に配置された触媒層３２および拡散層３６を含む燃料極（アノード）４０と、電解質膜３０の他方の面に配置された触媒層３４および拡散層３８を含む空気極（カソード）４２とから構成される。触媒層３２および３４とセパレータ（図２において図示せず）との間に、通気性を有する拡散層３６，３８がそれぞれ設けられている。

ＭＥＡ２８とＭＥＡ２８の拡散層３６，３８の両外側を挟持するセパレータとを重ねて単セル１２を構成し、図１のように、単セル１２を積層してセル積層体１４とし、セル積層体１４のセル積層方向両端に、ターミナル１６、インシュレータ１８、エンドプレート２０を順に配置し、積層体２２を構成する。積層体２２を締結ボルトなどの締結部材（図１では図示せず）によりセル積層方向に締め付け、積層体２２の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート２４、ボルト・ナット２６などにより固定して、燃料電池スタック１０を構成する。なお、セル積層体１４における単セル１２の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。

図３に単セル１２の一例の上面概略図を示す。単セル１２は、中央部にガス流路と冷媒流路と電極とが存在し、発電を行う発電領域４６を有し、その周囲に位置し、発電を行わない非発電領域４８を有する。セパレータ４４は金属製のメタルセパレータなどである。図４に単セル１２を分解した概略斜視図を示すように、単セル１２において、ＭＥＡ２８とセパレータ４４との間で、非発電領域４８の部位に、枠状の（発電領域４６に対応する領域が中抜きされた）樹脂フレーム５６が設けられており、ＭＥＡ２８は２枚の樹脂フレーム５６で挟まれ、その２枚の樹脂フレーム５６が２枚のセパレータ４４で挟まれる。セパレータ４４と樹脂フレーム５６には、非発電領域４８において、燃料ガスマニホールド５０、酸化ガスマニホールド５２、冷媒マニホールド５４がそれぞれ形成されている。なお、非発電領域４８における燃料ガスマニホールド５０、酸化ガスマニホールド５２および冷媒マニホールド５４の配置位置は、図３，４の位置に限定されるものではない。

燃料電池スタック１０の各単セル１２において、例えば、図２の燃料極４０に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極４２に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極４０の触媒層３２において、
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ_２）から水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とが発生する。電子（ｅ⁻）は拡散層３６から外部回路を通り、空気極４２の拡散層３８から触媒層３４に到達する。触媒層３４において、供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と、電解質膜３０を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と、外部回路を通じて触媒層３４に到達した電子（ｅ⁻）により、
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極４０および空気極４２において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。

図５に本実施形態に係る燃料電池スタックの一例のセル積層方向の端部の様子を示す。本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池の単セル１２を積層したセル積層体１４を含む積層体２２と、積層体２２のセル積層方向の端部の少なくとも一部を覆って絶縁する絶縁シート６０とを備える。セル積層体１４のセル積層方向両端には、ターミナル１６、インシュレータ１８、エンドプレート２０が順に配置され、締結ボルト５８などの締結部材により積層体２２がセル積層方向に締め付けられて固定されて燃料電池スタック１０が構成される。積層体２２は、セル積層方向の端部に、締結ボルト５８などの締結部材やその他の部材６２などの少なくとも１つの凸部を有する。絶縁シート６０は、先端部６４がセル積層方向に向かって折り曲げられ、凸部の位置に対応した切込部６６を有する。

燃料電池スタック１０は、通常、スタックケースに収容され、燃料電池モジュールとされる。絶縁シート６０は、スタックケースに収容されたときに、エンドプレート２０とスタックケースとを絶縁するために、積層体２２のセル積層方向の端部の少なくとも一部を覆って備えられている。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０では、積層体２２に締結ボルト５８などの締結部材やその他の部材６２などがそれぞれの高さや形状などで組み付けられて、複数の凸部がある場合でも、絶縁シート６０が、それぞれの凸部の位置に対応して切込部６６を有するため、それぞれの凸部の形状や高さなどに対応して、切込部６６の折り曲げ加工をすればよい。このため、燃料電池スタックの全体の体積を小さくすることができる。

また、絶縁シート６０の切込部６６の先端部６４は、積層体２２のセル積層方向に向かって折り曲げられている。絶縁シート６０の組み付け後の形状が締結ボルト５８などの凸部の形状や高さなどによって決まってしまう場合でも、切込部６６の先端部６４が、積層体２２のセル積層方向に向かって折り曲げられていることにより、絶縁シート６０から起き上がった切込部６６が凸部に沿うように変形することができる。このため、燃料電池スタック１０をスタックケースなどに収容した場合に、エンドプレート２０とスタックケースの内面との間の隙間を確保しやすくなり、スタックケースと干渉してしまうことを抑制することができる。また、燃料電池スタック１０とスタックケースの内面との間の隙間が少ない場合でも、燃料電池スタック１０とスタックケースとの間の絶縁性を確保することができる。

絶縁シート６０の加工は、例えば、図６に示すように、絶縁シート６０に少なくとも１つの切り込み６８を入れて、先端部６４を折り曲げて切込部６６を形成するだけでよい。このように絶縁シート６０の折り曲げ加工を容易に行うことができるため、コストを低減することができる。先端部６４の折り曲げ角度は、凸部の形状や高さなどに応じて決めればよいが、例えば、４５度程度とすればよい。また、切込部６２の先端部６４における折り曲げ部分の長さ、幅は、凸部の形状や高さなどに応じて決めればよい。絶縁シート６０の切込部６６の折り曲げは、図５に示すような直線状であっても、曲線状であってもよい。

絶縁シート６０は、積層体２２のセル積層方向の端部の少なくとも一部、通常はエンドプレート２０の少なくとも一部を覆うものであればよく、その全体を覆ってもよい。

絶縁シート６０としては、例えば、耐熱性を有するポリカーボネートやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂を用いればよい。

本実施形態に係る燃料電池スタックは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。

１０，１００ 燃料電池スタック、１２，１０２ 単セル、１４，１０４ セル積層体、１６，１０６ ターミナル、１８，１０８ インシュレータ、２０，１１０ エンドプレート、２２，１１２ 積層体、２４ テンションプレート、２６ ボルト・ナット、２８ ＭＥＡ、３０ 電解質膜、３２，３４ 触媒層、３６，３８ 拡散層、４０ 燃料極（アノード）、４２ 空気極（カソード）、４４ セパレータ、４６ 発電領域、４８ 非発電領域、５０ 燃料ガスマニホールド、５２ 酸化ガスマニホールド、５４ 冷媒マニホールド、５６ 樹脂フレーム、５８，１１４ 締結ボルト、６０，１１６ 絶縁シート、６２，１１８ 部材、６４ 先端部、６６ 切込部、６８ 切り込み。

Claims (1)

1. 燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む積層体と、前記積層体のセル積層方向の端部の少なくとも一部を覆って絶縁する絶縁シートとを備え、
   前記積層体は、前記セル積層方向の端部に少なくとも１つの凸部を有し、
   前記絶縁シートは、先端部が前記セル積層方向に向かって折り曲げられ、前記凸部の位置に対応した切込部を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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