JP2012178289A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単セルの積層方向に加えられた荷重を緩めることなく、単セル間をシールするシール部材を交換できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１００は、電解質膜と電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体１４１と膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータ１４４とをそれぞれ含むと共に、互いに積層された複数の単セルと複数の単セルを積層方向に加圧するセル加圧部と燃料電池スタックの外周部に沿って単セル間をシールする弾性体により形成されたシール部材とシール部材を外周部から内側に向かう方向に押圧するシール部材押圧部１７０とを備え、少なくとも一つの単セルに含まれる一対のセパレータの少なくとも一方の外周部には、内側から外周部に向かって断面積が大きくなる形状の切り欠き１５３が形成されており、シール部材１５１は切り欠きに配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池スタックに含まれる単セル間のシール構造に関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが設けられ他方の面にカソードが設けられた構成の膜電極接合体を含む発電モジュールとセパレータとが交互に積層されたスタック構造の形態で利用される。燃料電池は、膜電極接合体に供給された反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。

スタック構造を有する燃料電池では、隣接する単セル間がシールされる。単セル間のシール部材としては、例えば接着剤や単セル間に配置されて積層方向に圧縮されるOリングが用いられる (例えば特許文献１参照) 。

特開２００８−３１１１５８号公報 特開２００８−１８６７３６号公報 特開２０１０−８０２２２号公報 特開２００６−３３１７６４号公報

単セル間のシール部材として接着剤を用いる場合、シール部材が単セル表面に付着して容易にはがすことができないため、積層された単セルの一部を交換することが容易ではない。また、単セル間のシール部材として単セル間に配置されて積層方向に圧縮されるOリングを用いる場合は、シール部材が単セル表面に付着することを回避することができる。しかし、この場合には、劣化したシール部材のみを交換したいときには、積層方向に加えられた荷重を緩める必要があり、荷重を抜くとき、または、荷重を再びかけるときに単セルに不具合が生じるおそれがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、積層方向に加えられた荷重を緩めることなく、単セル間をシールするシール部材を交換できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池スタックであって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、をそれぞれ含むと共に、互いに積層された複数の単セルと、
前記複数の単セルを積層方向に加圧するセル加圧部と、
前記燃料電池スタックの外周部に沿って前記単セル間をシールする弾性体により形成されたシール部材と、
前記シール部材を前記外周部から内側に向かう方向に押圧するシール部材押圧部と、を備え、
少なくとも一つの前記単セルに含まれる前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記外周部には、内側から前記外周部に向かって断面積が大きくなる形状の切り欠きが形成されており、
前記シール部材は前記切り欠きに配置されている、燃料電池スタック。

この燃料電池スタックは、単セル間のシール部材が、シール部材押圧部により、燃料電池スタックの外周部から内側に向かう方向に押圧される。シール部材に加えられる荷重は、セル加圧部による積層方向に加えられる荷重と異なる。そのため、シール部材のみを交換したいときには、積層方向に加えられた荷重を緩めることなく、単セル間をシールするシール部材を交換できる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池スタックであって、
前記セパレータの前記切り欠きは、一の前記単セルの前記セパレータに形成された前記切り欠きと、前記一の単セルに隣接する他の前記単セルの前記切り欠きと、が一体の切り欠きとなるように形成されている、燃料電池スタック。

この燃料電池スタックでは、隣接するセパレータそれぞれに切り欠きが形成されている。隣接するセパレータに形成された切り欠きは一体の切り欠きを形成する。そのため、一体の切り欠きでは、一つの切り欠きよりも断面積が大きい切り欠きを形成できる。切り欠きの断面積が大きければ、シール部材を大きくでき、シール部材によるシール性を向上させることができる。

［適用例３］適用例１又は２に記載の燃料電池スタックであって、
前記切り欠きの前記積層方向に沿った大きさは、前記シール部材の押圧されていない状態における前記積層方向に沿った大きさよりも小さい、燃料電池スタック。

この燃料電池スタックは、切り欠きの積層方向に沿った大きさがシール部材の大きさよりも小さい。単セルの積層方向に沿った大きさが小さいため、切り欠きの積層方向に沿った大きさが、シール部材の大きさに比べ小さい場合でも、シール部材によりシールすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池システム、これらの装置またはシステムの製造方法、等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 単セル１４０の平面構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００の断面構成を示す説明図である。 単位モジュール１５０間のシール構成を示す説明図である。 第２実施例における単位モジュール１５０間のシール構成を示す説明図である。 単位モジュール１５０間のシール構成の変形例を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。燃料電池スタック１００は、両エンドプレート１１０の外側から単セル１４０を積層方向に加圧するセル加圧部を有しており、積層方向に沿って外側から内側に向かい加圧されている。セル加圧部は例えば締結ボルトにより構成される。

燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から、シャットバルブ２１、レギュレータ２２、配管２３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管３３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管２３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ３０および配管３１を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化ガス（カソードオフガス）は、排出配管２４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

さらに、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ４１および配管４２を介して、ラジエータ４０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管４３を介してラジエータ４０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。

図２は、単セル１４０の平面構成を示す説明図である。図３は、燃料電池スタック１００の断面構成を示す説明図である。図２に示すように、単セル１４０の平面形状は略長方形である。なお、平面形状は略長方形以外の形状（例えば円形状）でもよい。燃料電池スタック１００の内部には、図２に示すように、燃料電池スタック１００に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル１４０に分配する燃料ガス供給マニホールド１６３と、燃料電池スタック１００に供給された酸化ガスとしての空気を各単セル１４０に分配する酸化ガス供給マニホールド１６１と、各単セル１４０において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池スタック１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０において利用されなかった酸化ガスを集めて燃料電池スタック１００の外部に排出する酸化ガス排出マニホールド１６２、が形成されている。上記各マニホールドは、燃料電池スタック１００の単セル１４０の積層方向に略平行な方向（すなわち膜電極接合体の面方向に略垂直な方向）に伸びる形状の反応ガス流路である。燃料電池スタック１００の内部には、さらに、冷却媒体を単セル１４０に分配する冷却媒体供給マニホールド１６５と、各単セル１４０から排出される冷却媒体を集めて燃料電池スタック１００の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド１６６と、が形成されている。冷却媒体供給マニホールド１６５および冷却媒体排出マニホールド１６６の形状も、単セル１４０の積層方向に延びる形状である。

図３には、図２におけるＡ−Ａの位置の断面構成を示している。単セル１４０は、電解質膜のそれぞれの面にアノード（アノード電極層）、カソード（カソード電極層）が配置された膜電極接合体１４１（ＭＥＡ）を含む。膜電極接合体１４１のそれぞれの面には、アノード拡散層１４２とカソード拡散層１４３が配置されている。単セル１４０は、アノード拡散層１４２とカソード拡散層１４３が配置された膜電極接合体１４１を接着層１４６により一対のセパレータ１４４、セパレータ１４８で挟持したものである。隣接する２つの単セル１４０により、１つの単位モジュール１５０が構成される。単位モジュール１５０において、隣接する単セル１４０の間には冷却媒体流路１４５が形成されている。

単位モジュール１５０において、他の単位モジュール１５０との境界に位置する略長方形のセパレータ１４４は、セパレータ１４４の外周形状に沿って配置された切り欠き１５３を有する。切り欠き１５３の断面形状は内側から外周部に向かって面積が大きくなる三角形の形状である。切り欠き１５３は、隣接する２つのセパレータに配置された切り欠きが一体の切り欠きとなるように形成されている。

切り欠き１５３にはシール部材１５１が配置される。具体的には、シール部材１５１は、一部が切り欠き１５３内に位置し、残りの一部が切り欠き１５３の外（外周部）に出ている。なお、シール部材１５１は、切り欠き１５３に嵌合されているとも表現できる。シール部材１５１は、弾性体により形成されており、略長方形のセパレータ１４４の外周形状に沿って配置されている。

燃料電池スタック１００は、また、導電性を有しない材料（例えば樹脂製）のシール部材押圧部１７０を有している。シール部材押圧部１７０は、複数積層された単セル１４０およびシール部材１５１の外側を囲むように配置されている。シール部材押圧部１７０が外周部から単セル１４０の内側へ向かう方向に押圧されると、シール部材１５１は、切り欠き１５３より外周部に出ているため、シール部材押圧部１７０の内周側と接触する。シール部材押圧部１７０の内周側は、平面形状である。シール部材押圧部１７０は、例えばボルト締めされることにより、外周部から単セル１４０の内側へ向かう方向にシール部材１５１を押圧する。

図４は、単位モジュール１５０間のシール構成を示す説明図である。図４には、図３のＸ部を拡大して示している。図４（ａ）は、シール部材１５１が押圧されていない状態を示している。図４（ｂ）は、シール部材１５１が切り欠き１５３に配置され、シール部材押圧部１７０により外周部から内側に向かう方向（図４の矢印の方向）に押圧されて、シール部材１５１が弾性変形している状態を示している。本実施例では、シール部材１５１の材質は樹脂で、断面形状が円形状のものである。切り欠き１５３の積層方向に沿った大きさはＬ１である。シール部材１５１の押圧されていない状態での積層方向に沿った大きさはＬ２である。切り欠き１５３の大きさＬ１は、シール部材１５１の大きさＬ２よりも小さい。シール部材１５１が押圧され、変形した状態での最大の大きさはＬ３である。押圧され変形したシール部材１５１は、セパレータ１４４とシール部材押圧部１７０と密着し、単位モジュール１５０間をシールする。

以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１００では、セパレータ１４４に形成された切り欠き１５３にシール部材１５１が配置され、シール部材押圧部１７０がシール部材１５１を外周部から内側に向かう方向に押圧する。弾性体であるシール部材１５１はセパレータ１４４に密着し、単位モジュール１５０間をシールする。このように本実施例の燃料電池スタック１００は、単セル１４０を積層方向へ加圧する手段とは独立して、シール部材１５１へ押圧するシール部材押圧部１７０を有している。シール部材押圧部１７０によるシール部材１５１の押圧を解除すれば、シール部材１５１を交換することができる。そのため、本実施例の燃料電池スタック１００では、単セル１４０の積層方向に加圧された荷重を緩めることなく、単セル１４０間をシールするシール部材１５１を交換することができる。

また、第１実施例の燃料電池スタック１００では、隣接するセパレータ１４４それぞれに切り欠きが形成されている。隣接するセパレータ１４４に形成された切り欠きは一体の切り欠き１５３を形成する。そのため、一つのセパレータ１４４に切り欠きを形成する場合と比較して、大きな切り欠き１５３を形成することができる。よって、単セル１４０の積層方向の大きさが比較的小さいときでも、比較的大きな切り欠きを形成できる。そのため、本実施例の燃料電池スタック１００では、単セル１４０の積層方向の大きさが比較的小さい場合にも、単セル１４０の積層方向に加圧される荷重を緩めることなく、単セル１４０間をシールするシール部材１５１を交換することができる。

また、第１実施例の燃料電池スタック１００では、切り欠き１５３の大きさＬ１は、シール部材１５１の大きさＬ２よりも小さい。切り欠き１５３は、単セル１４０のセパレータ１４４に形成されるため、切り欠き１５３の大きさＬ１は、単セル１４０の積層方向の大きさよりも小さくなる。本実施例では、切り欠き１５３の大きさＬ１がシール部材１５１の大きさＬ２に比べて小さくても単位モジュール１５０間をシールできる。よって、本実施例の燃料電池スタック１００は、切り欠き１５３の大きさＬ１がシール部材１５１の大きさＬ２よりも小さくても、単セル１４０の積層方向に加圧する荷重を緩めることなく、単セル１４０間をシールするシール部材１５１を交換することができる。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における単位モジュール１５０間のシール構成を示す説明図である。第２実施例では切り欠き１５３の形状が第１実施例と異なる。単位モジュール１５０を構成する２つのセパレータ１４４のうち、一方のセパレータ１４４には切り欠き１５３が形成されているが、もう一方のセパレータ１４４には切り欠き１５３が形成されていない。第２実施例においても、シール部材１５１は切り欠き１５３に配置され、シール部材押圧部１７０に押圧され、セパレータ１４４に密着し、シールする。このように本実施例の燃料電池スタック１００は、単セル１４０を積層方向へ加圧する手段とは独立して、シール部材１５１へ押圧するシール部材押圧部１７０を有している。シール部材押圧部１７０によるシール部材１５１の押圧を解除すれば、シール部材１５１を交換することができる。そのため、本実施例の燃料電池スタック１００では、単セル１４０の積層方向に加圧された荷重を緩めることなく、単セル１４０間をシールするシール部材１５１を交換することができる。

また、第２実施例の燃料電池スタック１００では、切り欠き１５３の大きさＬ１は、シール部材１５１の大きさＬ２よりも小さい。切り欠き１５３は、単セル１４０のセパレータ１４４に形成されるため、切り欠き１５３の大きさＬ１は、単セル１４０の積層方向の大きさよりも小さくなる。本実施例では、切り欠き１５３の大きさＬ１がシール部材１５１の大きさＬ２に比べて小さくても単位モジュール１５０間をシールできる。よって、本実施例の燃料電池スタック１００は、切り欠き１５３の大きさＬ１がシール部材１５１の大きさＬ２よりも小さくても、単セル１４０の積層方向に加圧する荷重を緩めることなく、単セル１４０間をシールするシール部材１５１を交換することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１
上記各実施例における燃料電池システム１０の構成はあくまで一例であり、燃料電池システム１０の構成は種々変形可能である。図６は単位モジュール１５０間のシール構成の変形例を示す説明図である。上記各実施例では、隣接する単位モジュール１５０間の切り欠き１５３の断面形状が図４に示すように三角形としたが、図６に示す変形例では、台形としている。また、切り欠き１５３の形状は内側から外周部に向かって断面積が大きくなる形状であれば、他の形状（例えば、円形状）であってもよい。または、単位モジュール１５０を構成する１組のセパレータ１４４に形成された切り欠き１５３が、三角形と台形のような異なる形状の組み合わせであってもよい。

Ｃ２．変形例２
上記各実施例ではシール部材押圧部１７０のシール部材１５１に対向する側の面は平面であるとしたが、その他の形状でもよい。例えば、シール性を向上させるために、シール部材１５１との接触するシール部材押圧部１７０の一部が凸形状を有する形状等でもよい。この場合、シール部材１５１が切り欠き１５３より外周部に出ていなくても、単位モジュール１５０間をシールできる。

Ｃ３．変形例３
上記各実施例では、２つの単セル１４０を積層させた単位モジュール１５０間をシールするシール部材１５１としているが、単位モジュール１５０間ではなく、単セル１４０間をシール部材１５１でシールするものとしてもよい。また、単位モジュール１５０間のシールはすべてシール部材１５１で行っているが、単位モジュール１５０のシールの一部をシール部材１５１ではなく、接着層１４６で行ってもよい。

Ｃ４．変形例４
上記各実施例では、シール部材１５１の断面形状は円形状のものとしたが、この他の形状（例えば、角形状、コの字型）でもよい。シール部材１５１の材質も樹脂に限定されない。シール部材押圧部１７０の材質は、漏電が防止できる場合は金属等の導電性を有するカバーでもよい。

Ｃ５．変形例５
上記各実施例では、切り欠き１５３の積層方向に沿った大きさＬ１はシール部材１５１の大きさＬ２よりも小さいが、Ｌ１の方がＬ２よりも長くてもよい。

また、上述した実施形態における構成要素のうち、独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。

１０…燃料電池システム
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…配管
２４…排出配管
３０…エアポンプ
３１…配管
３３…排出配管
４０…ラジエータ
４１…ウォーターポンプ
４２…配管
４３…配管
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１４１…膜電極接合体
１４２…アノード拡散層
１４３…カソード拡散層
１４４…セパレータ
１４５…冷却媒体流路
１４６…接着層
１４８…セパレータ
１５０…単位モジュール
１５１…シール部材
１５３…切り欠き
１６１…酸化ガス供給マニホールド
１６２…酸化ガス排出マニホールド
１６３…燃料ガス供給マニホールド
１６４…燃料ガス排出マニホールド
１６５…冷却媒体供給マニホールド
１６６…冷却媒体排出マニホールド
１７０…シール部材押圧部

Claims (3)

1. 燃料電池スタックであって、
   電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、をそれぞれ含むと共に、互いに積層された複数の単セルと、
   前記複数の単セルを積層方向に加圧するセル加圧部と、
   前記燃料電池スタックの外周部に沿って前記単セル間をシールする弾性体により形成されたシール部材と、
   前記シール部材を前記外周部から内側に向かう方向に押圧するシール部材押圧部と、を備え、
   少なくとも一つの前記単セルに含まれる前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記外周部には、内側から前記外周部に向かって断面積が大きくなる形状の切り欠きが形成されており、
   前記シール部材は前記切り欠きに配置されている、燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記セパレータの前記切り欠きは、一の前記単セルの前記セパレータに形成された前記切り欠きと、前記一の単セルに隣接する他の前記単セルの前記切り欠きと、が一体の切り欠きとなるように形成されている、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記切り欠きの前記積層方向に沿った大きさは、前記シール部材の押圧されていない状態における前記積層方向に沿った大きさよりも小さい、燃料電池スタック。

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