JP2014107228A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単セルの破損や変形を防止しつつ、単セルの面方向のずれを抑制する。
【解決手段】燃料電池スタック１０の単セル５０は、発電部６３を両側から挟む一対のセパレータ６０、６１を有している。セパレータ６０における発電部６３の外周部には、他の単セル５０のセパレータ６１に接触する凸状部１１０が形成されている。また、単セル５０のセパレータ６０の発電部６３の外周部には、凹状部１２０が形成され、セパレータ６１の発電部６３の外周部には、他の単セル５０のセパレータ６０の凹状部１２０内に突出して当該凹状部１２０に接触するガスケット１３０が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックに関する。

いわゆる燃料電池車両には、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池システムが搭載されている。燃料電池システムは、発電が行われる燃料電池スタックを有している。燃料電池スタックは、積層された複数の単セルを備え、各単セルは、例えば電解質膜、その電解質膜の両側に配置された一対の電極、及びその電極の外側に配置されたガス拡散層等からなる発電部と、その発電部を挟む一対のセパレータを有している（特許文献１、２参照）。

ところで、燃料電池スタック内には、複数の単セルを貫通するように流れるガス流路（マニホールド）や、隣り合う単セルの間を流れる冷却水流路などが形成されている。これらの流路からガスや冷却水が漏れるのを防止するためには、単セル同士の面方向（積層方向の垂直方向）のずれを抑制する必要がある。

単セル同士のずれを抑制するために、燃料電池スタックを外側から拘束する外部拘束部材を設けることが提案されている（特許文献３参照）。

特開２０１２−０３３３２５号公報 特開２０１２−０８９３８７号公報 特開２００９−０７０６７４号公報

しかしながら、上述の外部拘束部材を用いた場合、各単セルの寸法に誤差があることから全ての単セルを完全に拘束することができない。よって、外部から衝撃を受けると、単セルが面方向にずれることがある。また、軽度の衝撃時や通常運転の振動時においても、外部拘束部材が単セルに直接接触するため、単セルが破損したり変形したりする原因になる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、単セルの破損や変形を防止しつつ、単セルの面方向のずれを抑制可能な燃料電池スタックを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックであって、前記単セルは、発電部を両側から挟む一対のセパレータを有し、前記一対のセパレータのいずれかのセパレータにおける前記発電部の少なくとも三方の外周部には、他の単セルのセパレータに接触する凸状部が形成されている、燃料電池スタックである。

本発明によれば、燃料電池スタックの内部の摩擦力を上げることができるので、外部拘束部材を用いる必要がなく、外部拘束部材による単セルの破損や変形を防止しつつ、単セルの面方向のずれを抑制できる。

前記セパレータの前記発電部に対応する位置には、ガス流路部が形成されており、前記凸状部は、前記ガス流路部の外周部に形成されていてもよい。

前記凸状部は、前記ガス流路部を囲むように形成されていてもよい。

前記単セルの一方のセパレータの前記発電部の外周部には、凹状部が形成され、他方のセパレータの前記発電部の外周部には、他の単セルの前記一方のセパレータの前記凹状部内に突出して当該凹状部に接触するガスケットが設けられていてもよい。

前記ガスケットは、前記セパレータにおける前記凸状部の外側に設けられていてもよい。

前記ガスケットの少なくとも前記凹状部に接触する面は、剥離強度が０．１Ｎ/ｍｍ以上１．５Ｎ/ｍｍ以下となる粘着性を有していてもよい。

本発明によれば、単セルの破損や変形を防止しつつ、単セルの面方向のずれを抑制できる。

燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。 単セル及びセパレータの構成の概略を示す平面図である。 単セルの一部の構成を示す断面図である。 積層された単セルの一部の構成を示すＡ−Ａ断面図である。 凹状部内でガスケットが移動した状態を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池スタックを備えた燃料電池システム１の構成の概略を示す模式図である。燃料電池システム１は、燃料電池車両などの移動体等の発電システムに適用される。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２、燃料電池スタック１０に冷媒としての冷却液を供給する冷媒配管系１３等を備えている。

燃料電池スタック１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セル５０を複数積層した構造を有している。燃料電池スタック１０の構造の詳細は後述する。

酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池スタック１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池スタック１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送りその後外部に排出するガス排出流路２２を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２３等が設けられている。

水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池スタック１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池スタック１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。

循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。

冷媒配管系１３は、冷却液を冷却するラジエータ４０と、冷却液を燃料電池スタック１０に圧送するポンプ４１等を備えている。なお、冷媒配管系１３を流れる冷媒は、冷却水に限られず気体であってもよい。

次に燃料電池スタック１０の構成について説明する。燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル５０を有している。複数の単セル５０の積層方向Ｘの両側には、例えば集電板５１、絶縁板５２及びエンドプレート５３が内側から外側に向けてこの順番で設けられている。

各単セル５０は、図２に示すように全体が方形に形成され、一対の板状のセパレータ６０、６１と、セパレータ６０、６１の間の中央領域に挟まれた発電部６３を有している。単セル５０面内の発電部６３の両側には、燃料電池スタック１０の積層方向Ｘに貫通する各反応ガスや冷却水のマニホールドを構成する酸化ガス供給口７０、水素ガス供給口７１、冷却液排出口７２、酸化ガス排出口７３、水素ガス排出口７４及び冷却液供給口７５が形成されている。

図３は、単セル５０の内部構造の一例を示す。発電部６３は、膜電極接合体８０と、その両側に積層されたアノード側のガス拡散層８１とカソード側のガス拡散層８２を有している。膜電極接合体８０は、電解質膜と、その両側の触媒層としての電極（アノード電極、カソード電極）から構成されている。また、例えば発電部６３のカソード側のガス拡散層８２の外側には、ガスが流れる多孔体流路層８３が形成されている。この多孔体流路層８３は、例えば酸化ガス供給口７１と酸化ガス排出口７４に通じており、酸化ガスは、多孔体流路層８３を通じてガス拡散層８２及び膜電極接合体８０に供給される。

アノード側のセパレータ６０における発電部６３に対向する部分は、凹凸形状を有し、その内側には、発電部６３のアノード側のガス拡散層８１に面するセパレータガス流路９０が形成されている。本実施の形態において、このセパレータガス流路９０が形成されている領域をガス流路部Ｒとする。このセパレータガス流路９０は、例えば水素ガス供給口７０と水素ガス排出口７３に通じており、ガス拡散層８１を通じて膜電極接合体８０に水素ガスを供給できる。セパレータ６０、６１の間の隙間には、接着剤Ａが充填されている。なお、本実施の形態では、例えば膜電極接合体８０とガス拡散層８１が、ガス流路部Ｒや多孔体流路層８３よりも外側に延在しているが、発電部６３は、酸化ガスを供給する多孔体流路層８３と、水素ガスを供給するセパレータガス流路９０が対向している領域とする。

発電部６３では、多孔体流路層８３及びガス拡散層８２を通じて膜電極接合体８０のカソード側に酸化ガスが供給され、セパレータガス流路９０及びガス拡散層８１を通じて膜電極接合体８０のアノード側に水素ガスが供給され、膜電極接合体８０における電気化学反応により発電が行われる。

図４に示すように積層された単セル５０間で対向するセパレータ６０、６１の間には、セパレータガス流路９０と対応する隙間ができ、この隙間が冷却水流路１００になっている。この冷却水流路１００は、冷却水供給口７５と冷却水排出口７２に連通している。

セパレータ６０の発電部６３の外周部、つまりガス流路部Ｒの外周部には、隣の単セル５０のセパレータ６１側に突出して当該セパレータ６１の外面（図４では下面）に接触する凸状部１１０が形成されている。凸状部１１０の上端は、平坦になっており、この平坦部分が隣の単セル５０のセパレータ６１の外面と接触している。この平坦部分の幅は、セパレータガス流路９０の上端の平坦幅よりも広く設定されている。凸状部１１０は、例えば図２に示したように発電部６３を囲むように、例えば発電部６３の外周の全周にわたり形成されている。よって、発電部６３は、発電部６３の四辺に対応する四方の外周に形成されている。すなわち凸状部１１０は、発電部６３の各種供給口７０、７１、排出口７３、７４等のある方向（図４の左右方向）とない方向（図４の上下方向）の外周に形成されている。

図４に示すようにセパレータ６０の凸状部１１０のさらに外周には、凹状部１２０が形成されている。一方、セパレータ６１の外面には、隣の単セル５０のセパレータ６０の凹状部１１０側に突出し凹状部１１０に接触するガスケット１３０が形成されている。ガスケット１３０は、例えば発電部６３の四方の外周の全周にわたり形成されている。ガスケット１３０は、点状に形成されていてもよいし、線状に形成されていてもよい。

ガスケット１３０は、主成分のゴム材料に増粘剤や軟化剤を入れて、剥離強度が０．１Ｎ/ｍｍ以上１．５Ｎ/ｍｍ以下となる粘着性を有している。これにより、ガスケット１３０は、単セル５０の面方向Ｙに外力が加わった際に、単セル５０間の摩擦によって位置ずれを抑制でき、また単セル５０同士を剥離する際には、ガスケット１３０をセパレータ６１から凝集破壊せずに界面剥離できる。上記セパレータ６０、６１は、例えば一体成形により製造されている。

以上のように構成された燃料電池スタック１０によれば、セパレータ６０の発電部６３の外周部に隣の単セル５０のセパレータ６１と接触する凸状部１１０が形成されているので、単セル５０間の面方向Ｙへの摩擦力を上げることができる。これにより、燃料電池スタック１０の内部の摩擦力を用いて単セル５０の面方向Ｙへのずれを防止できるので、外部拘束部材を用いる必要がなく、単セル５０の破損や変形を防止しつつ、単セル５０の面方向Ｙへのずれを抑制できる。

凸状部１１０は、ガス流路部Ｒの外周部に形成されているので、セパレータガス流路９０と干渉することなく、またセパレータガス流路９０の続きに容易に成形できる。

凸状部１１０は、ガス流路部Ｒを囲むように形成されていているので、単セル５０の面内の全方向の摩擦力が向上し、全方向の外力によるずれも抑制できる。

セパレータ６０の発電部６３の外周部には、凹状部１２０が形成され、セパレータ６１の発電部６３の外周部には、凹状部１２０内に突出して凹状部１２０に接触するガスケット１３０が設けられていている。これにより、例えば図５に示すように単セル５０が面方向Ｙにずれようとした場合には、ガスケット１３０が凹状部１２０の側壁（土手）に当接する。これにより、単セル５０がそれ以上ずれるには、ガスケット１３０が凹状部１２０の土手を超える必要があり、これにより単セル５０の面方向Ｙへの摩擦力がさらに増して、単セル５０の面方向Ｙのずれを一層抑制できる。

ガスケット１３０は、セパレータ６０における凸状部１１０の外側に設けられているので、ガスケット１３０を適切に設置できる。

ガスケット１３０は、剥離強度が０．１Ｎ/ｍｍ以上１．５Ｎ/ｍｍ以下となる粘着性を有しているので、ガスケット１３０は、単セル５０の面方向Ｙに外力が加わった際に、単セル５０間の摩擦によって位置ずれを抑制でき、また単セル５０同士を剥離する際には、ガスケット１３０をセパレータ６１から凝集破壊せずに界面剥離できる。ガスケット１３０を界面剥離できることにより、単セル５０のリサイクル性が向上する。なお、ガスケット１３０全体が粘着性を有する必要はなく、少なくとも凹状部１２０に接触する面が粘着性を有していればよい。また、ガスケット１３０は、シール性に関係なく、図２に示すように一続きに連続して形成されていてもよいし、点状に断続的に形成されていてもよい。

ガスケット１３０の外周部には、さらに冷媒をシールするガスケット１３１、水素ガスをシールするガスケット１３２及び酸素ガスをシールするガスケット１３２が設けられている。ガスケット１３１は、ガスケット１３０と共に凹状部１２０内に突出している。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施の形態におけるセパレータ６０の凸状部１１０は、発電部６３の外周の全周にわたり形成されていてもよいし、一部であってもよい。凸状部１１０は、発電部６３の四方の外周に形成されていたが、三方であってもよい。上記実施の形態では、凸状部１１０は、ガス流路部Ｒの外側に位置していたが、凸状部１１０がガス流路部Ｒに含まれていてもよい。すなわち、凸状部１１０の内側にガスを流し、セパレータガス流路を構成していてもよい。発電部６３の層の構成は、上記実施の形態に限られない。上記実施の形態では、発電部６３とガス流路部Ｒの範囲がほぼ一致していたが、ガス流路部Ｒの方が広くてもよい。

ガスケット１３０は、発電部６３の四方の外方に設けられていたが、少なくとも一方に設けられていればよい。また、ガスケット１３０は、発電部６３の外方の全周にわたり形成されていてもよいし、一部に形成されていてもよい。単セル５０の構成も上記実施の形態に限られるものではない。

本発明は、単セルの破損や変形を防止しつつ、単セルの面方向のずれを抑制する際に有用である。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
５０ 単セル
６０、６１ セパレータ
６３ 発電部
９０ セパレータガス流路
１１０ 凸状部
１２０ 凹状部
１３０ ガスケット
Ｒ ガス流路部

Claims (6)

1. 積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、発電部を両側から挟む一対のセパレータを有し、
   前記一対のセパレータのいずれかのセパレータにおける前記発電部の少なくとも三方の外周部には、他の単セルのセパレータに接触する凸状部が形成されている、燃料電池スタック。
2. 前記セパレータの前記発電部に対応する位置には、ガス流路部が形成されており、
   前記凸状部は、前記ガス流路部の外周部に形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記凸状部は、前記ガス流路部を囲むように形成されている、請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記単セルの一方のセパレータの前記発電部の外周部には、凹状部が形成され、
   他方のセパレータの前記発電部の外周部には、他の単セルの前記一方のセパレータの前記凹状部内に突出して当該凹状部に接触するガスケットが設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
5. 前記ガスケットは、前記セパレータにおける前記凸状部の外側に設けられている、請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記ガスケットの少なくとも前記凹状部に接触する面は、剥離強度が０．１Ｎ/ｍｍ以上１．５Ｎ/ｍｍ以下となる粘着性を有する、請求項４又は５に記載の燃料電池スタック。

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