JP2014143014A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータに対する樹脂成形の工程数を有効に削減することができ、セパレータ製造工程の効率化及び低コスト化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０の発電ユニット１２は、第１セパレータ３０、第１電解質膜・電極構造体３２ａ、第２セパレータ３４、第２電解質膜・電極構造体３２ｂ及び第３セパレータ３６を設ける。第２セパレータ３４の外周部には、複数の樹脂製ガイド部８２が設けられ、前記樹脂製ガイド部８２は、隣接する第１セパレータ３０及び第３セパレータ３６の外周部を覆う位置まで積層方向に延在する第１膨出部８２ｂ及び第２膨出部８２ｃを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、第１セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設ける燃料電池スタックに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、部品点数を削減して前記燃料電池スタック全体のコンパクト化を図ることが望まれている。このため、第１セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを備え、各発電ユニット間のみに、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される間引き冷却型燃料電池スタックが採用されている。

その際、通常、数十〜数百の発電ユニットを積層して燃料電池スタックを構成している。従って、各発電ユニット自体を容易且つ効率的に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示された燃料電池スタックが知られている。

この燃料電池スタックでは、第１乃至第３セパレータ同士を相互に位置決めする位置決め機構を備えている。位置決め機構は、第２セパレータの一方の面から第１セパレータ側に突出する第１凸状部と、前記第２セパレータの他方の面から第３セパレータ側に突出する第２凸状部と、前記第１セパレータに設けられ、前記第１凸状部が嵌合する第１凹状部と、前記第３セパレータに設けられ、前記第２凸状部が嵌合する第２凹状部と、を有している。

特開２００６−１２０５６２号公報

上記の燃料電池スタックでは、第２セパレータに樹脂製の第１凸状部及び第２凸状部が設けられている。さらに、第１セパレータには、樹脂製の第１凹状部が設けられる一方、第３セパレータには、樹脂製の第２凹状部が設けられている。

このため、第１セパレータ、第２セパレータ及び第３セパレータには、例えば、金属プレートに対してゴムによる射出成形（ＬＩＭＳ）及び樹脂による成形（アウトサート成形）の各工程が行われている。その際、発電ユニットの積層数が多くなると、セパレータの成形回数及び数量が増加し、工数が大幅に増加するとともに、製造コストが高騰するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、セパレータに対する樹脂成形の工程数を有効に削減することができ、セパレータ製造工程の効率化及び低コスト化を図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、電解質の両側にそれぞれ電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間、及び前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間のみに、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、第２セパレータの外周部には、樹脂製ガイド部が設けられるとともに、前記樹脂製ガイド部は、隣接する第１セパレータ及び第３セパレータの外周部を覆う位置まで積層方向に延在する膨出部を有している。

また、この燃料電池スタックでは、樹脂製ガイド部には、絶縁性クリップを挿入するための孔部が積層方向に形成されることが好ましい。

本発明によれば、第２セパレータの外周部に設けられた樹脂製ガイド部が、隣接する第１セパレータ及び第３セパレータの外周部を覆う位置まで積層方向に延在する膨出部を有している。このため、第１セパレータ、第２セパレータ又は第３セパレータの少なくともいずれかに、積層方向に交差する方向から外部荷重が付与されると、樹脂製ガイド部の膨出部は、前記外部荷重を確実に受けることができる。

従って、第２セパレータの外周部にのみ、樹脂製ガイド部を設ければよく、第１セパレータ及び第３セパレータには、前記樹脂製ガイド部の成形作業が不要になる。これにより、セパレータに対する樹脂成形の工程数を有効に削減することができ、セパレータ製造工程の効率化及び低コスト化を図ることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）に積層してケーシング１４内に収容している。

ケーシング１４は、発電ユニット１２の積層方向両端に配置される、例えば、横長形状のエンドプレート１６ａ、１６ｂと、前記発電ユニット１２の側部に配置される４枚の側部プレート１８ａ〜１８ｄと、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び前記側部プレート１８ａ〜１８ｄを互いに連結するヒンジ部２０とを備える。

ヒンジ部２０には、係合ピン２２が挿入されて前記係合ピン２２の端部にスナップリング（図示せず）が結合することにより、エンドプレート１６ａ、１６ｂと側部プレート１８ａ〜１８ｄの両端とが、互いに固定される。側部プレート１８ａ〜１８ｄは、それぞれの端部間に連結部材２４が介装されるとともに、複数のねじ２６により固定される。

図２及び図３に示すように、発電ユニット１２は、第１セパレータ３０、第１電解質膜・電極構造体（第１電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）３２ａ、第２セパレータ３４、第２電解質膜・電極構造体（第２電解質・電極構造体）３２ｂ及び第３セパレータ３６を設ける。

第１セパレータ３０、第２セパレータ３４及び第３セパレータ３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１セパレータ３０、第２セパレータ３４及び第３セパレータ３６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

第１電解質膜・電極構造体３２ａ及び第２電解質膜・電極構造体３２ｂ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３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード電極４０及びカソード電極４２とを備える。アノード電極４０は、カソード電極４２よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差ＭＥＡを構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、アノード電極４０は、カソード電極４２よりも大きな平面寸法を有してもよく、又は、前記カソード電極４２と同一の平面寸法を有していてもよい。

アノード電極４０及びカソード電極４２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３８の両面に形成される。

図２に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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入口連通孔４４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４６ｂが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４６ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔４８ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔４８ｂが設けられる。

各冷却媒体入口連通孔４８ａ、４８ａは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂに近接し、且つそれぞれ矢印Ｃ方向両側の各辺に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔４８ｂ、４８ｂは、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ及び燃料ガス入口連通孔４６ａにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｃ方向両側の各辺に振り分けられる。

第１セパレータ３０の第１電解質膜・電極構造体３２ａに向かう面３０ａには、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第１燃料ガス流路５０が形成される。第１燃料ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に延在し、その入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂが設けられる。

第１セパレータ３０の面３０ｂには、冷却媒体入口連通孔４８ａと冷却媒体出口連通孔４８ｂとを連通する冷却媒体流路５４の一部が形成される。冷却媒体流路５４は、第１燃料ガス流路５０の裏面形状である。

第２セパレータ３４の第１電解質膜・電極構造体３２ａに向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第１酸化剤ガス流路５６が形成される。第１酸化剤ガス流路５６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５８ａ及び出口バッファ部５８ｂが設けられる。

第２セパレータ３４の第２電解質膜・電極構造体３２ｂに向かう面３４ｂには、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第２燃料ガス流路６０が形成される。第２燃料ガス流路６０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂが設けられる。

第３セパレータ３６の第２電解質膜・電極構造体３２ｂに向かう面３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとを連通する波形状（又は直線状）の第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６６ａ及び出口バッファ部６６ｂが設けられる。第３セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体流路５４の一部が形成される。

第１セパレータ３０は、燃料ガス入口連通孔４６ａと第１燃料ガス流路５０とを連通する複数の供給連結路６８ａと、燃料ガス出口連通孔４６ｂと前記第１燃料ガス流路５０とを連通する複数の排出連結路６８ｂとを有する。第２セパレータ３４は、燃料ガス入口連通孔４６ａと第２燃料ガス流路６０とを連通する複数の供給連結路７０ａと、燃料ガス出口連通孔４６ｂと前記第２燃料ガス流路６０とを連通する複数の排出連結路７０ｂとを有する。

供給連結路６８ａ及び排出連結路６８ｂには、ブリッジ部として蓋体７２ａ、７２ｂが配置される。供給連結路７０ａ及び排出連結路７０ｂには、ブリッジ部として蓋体７４ａ、７４ｂが配置される。

第１セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第１セパレータ３０の外周端縁部を周回して第１シール部材７６が一体成形される。第２セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材７８が一体成形される。第３セパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、この第３セパレータ３６の外周端縁部を周回して第３シール部材８０が一体成形される。

第１シール部材７６、第２シール部材７８及び第３シール部材８０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２及び図３に示すように、第２セパレータ３４の外周部には、複数の樹脂製ガイド部（荷重受け部）８２が、前記第２セパレータ３４を構成する金属プレート３４ｐの切り欠き部に対応して一体化される。各樹脂製ガイド部８２には、孔部８４ａ、８４ｂが互いに並列して設けられる。

図３に示すように、樹脂製ガイド部８２は、金属プレート３４ｐに一体化される連結板部８２ａを有する。連結板部８２ａの先端側には、第２セパレータ３４の一方側に隣接する第１セパレータ３０の外周部を覆う位置まで積層方向（矢印Ａ方向）に延在する第１膨出部８２ｂと、前記第２セパレータ３４の他方側に隣接する第３セパレータ３６の外周部を覆う位置まで積層方向に延在する第２膨出部８２ｃとが一体に設けられる。

図２及び図４に示すように、第１セパレータ３０には、第２セパレータ３４の孔部８４ａ、８４ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部８６ａ、８６ｂが形成される。第３セパレータ３６には、第２セパレータ３４の孔部８４ａ、８４ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部８８ａ、８８ｂが形成される。孔部８８ａ、８８ｂの直径は、孔部８４ａ、８４ｂ及び８６ａ、８６ｂの直径よりも小径に設定される。

積層方向に対して一つ置きに配置される発電ユニット１２では、孔部８４ａ、８６ａ及び８８ａに、接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ９０が挿入される。他の一つ置きに配置される発電ユニット１２では、各孔部８４ｂ、８６ｂ及び８８ｂに、同様に接続部材である樹脂クリップ９０が挿入される。孔部８４ａ、８６ａ及び８８ａに樹脂クリップ９０が挿入される発電ユニット１２と、孔部８４ｂ、８６ｂ及び８８ｂに樹脂クリップ９０が挿入される発電ユニット１２とは、交互に積層される。

各樹脂クリップ９０は、首部９０ａが、第３セパレータ３６に係止する一方、大径なフランジ部９０ｂが、第１セパレータ３０に当接することにより、第１セパレータ３０、第２セパレータ３４及び第３セパレータ３６が、積層方向に一体に保持される。

図１に示すように、エンドプレート１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ、燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂが形成される。エンドプレート１６ｂには、冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂが形成される。

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。

先ず、図１に示すように、エンドプレート１６ａに設けられた酸化剤ガス入口連通孔４４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４６ａ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１６ｂに設けられた一対の冷却媒体入口連通孔４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａから第２セパレータ３４の第１酸化剤ガス流路５６及び第３セパレータ３６の第２酸化剤ガス流路６４に導入される。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体３２ａのカソード電極４２に供給される。さらに、残余の酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路６４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体３２ｂのカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４６ａから第１セパレータ３０の第１燃料ガス流路５０に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体３２ａのアノード電極４０に供給される。また、残余の燃料ガスは、第２セパレータ３４の第２燃料ガス流路６０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体３２ｂのアノード電極４０に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体３２ａ及び第２電解質膜・電極構造体３２ｂでは、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０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て発電が行われる。

次いで、第１電解質膜・電極構造体３２ａ及び第２電解質膜・電極構造体３２ｂの各カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。第１電解質膜・電極構造体３２ａのアノード電極４０に供給されて消費された燃料ガス、及び第２電解質膜・電極構造体３２ｂのアノード電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４６ｂに排出される。

一方、上下一対の冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ３０と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ３６との間に形成された冷却媒体流路５４に導入される。

各冷却媒体入口連通孔４８ａ、４８ａから冷却媒体流路５４に供給される冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向（重力方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して第１電解質膜・電極構造体３２ａ及び第２電解質膜・電極構造体３２ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔４８ｂ、４８ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図２〜図４に示すように、第２セパレータ３４の外周部に樹脂製ガイド部８２が一体に設けられている。樹脂製ガイド部８２は、第２セパレータ３４の一方側に隣接する第１セパレータ３０の外周部を覆う位置まで積層方向に延在する第１膨出部８２ｂと、前記第２セパレータ３４の他方側に隣接する第３セパレータ３６の外周部を覆う位置まで積層方向に延在する第２膨出部８２ｃとを一体に有している。

このため、図４に示すように、第１セパレータ３０、第２セパレータ３４又は第３セパレータ３６の少なくともいずれかに、車両衝突時等に外部荷重Ｆが付与される際、これらの外周部を覆っている樹脂製ガイド部８２は、前記外部荷重Ｆを確実に受けることができる。

従って、第２セパレータ３４の外周部にのみ、樹脂製ガイド部８２を設ければよく、第１セパレータ３０及び第３セパレータ３６には、前記樹脂製ガイド部８２の成形作業が不要になる。これにより、セパレータに対する樹脂成形の工程数を有効に削減することができ、セパレータ製造工程の効率化及び低コスト化を図ることが可能になるという効果が得られる。

また、樹脂製ガイド部８２は、第１膨出部８２ｂにより第２セパレータ３４と第１セパレータ３０との位置決め部として利用する一方、第２膨出部８２ｃにより第３セパレータ３６と前記第１セパレータ３０との位置決め部として利用することができる。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４…ケーシング １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
１８ａ〜１８ｄ…側部プレート ３０、３４、３６…セパレータ
３２ａ、３２ｂ…電解質膜・電極構造体
４０…アノード電極 ４２…カソード電極
４４ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４６ａ…燃料ガス入口連通孔 ４６ｂ…燃料ガス出口連通孔
４８ａ…冷却媒体入口連通孔 ４８ｂ…冷却媒体出口連通孔
５０、６０…燃料ガス流路 ５４…冷却媒体流路
５６、６４…酸化剤ガス流路 ７６、７８、８０…シール部材
８２…樹脂製ガイド部 ８２ａ…連結板部
８２ｂ、８２ｃ…膨出部
８４ａ、８４ｂ、８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂ…孔部
９０…樹脂クリップ

Claims (2)

1. 電解質の両側にそれぞれ電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間、及び前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間のみに、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
   前記第２セパレータの外周部には、樹脂製ガイド部が設けられるとともに、
   前記樹脂製ガイド部は、隣接する前記第１セパレータ及び前記第３セパレータの外周部を覆う位置まで積層方向に延在する膨出部を有す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、前記樹脂製ガイド部には、絶縁性クリップを挿入するための孔部が前記積層方向に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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