JP2019091661A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ガスケットの位置ずれが抑制された燃料電池スタックを提供することを課題とする。【解決手段】膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に位置した第１セパレータと、前記膜電極接合体を支持した支持フレーム及び前記第１セパレータの一方に接合された支持部を介して接続されたガスケットと、前記ガスケットに接触した凹状の溝部を有した第２セパレータと、前記溝部に対する前記ガスケットの位置を矯正する矯正部と、を備え、前記溝部は、前記ガスケットに接触した底面と、前記底面に連続した側面と、を有し、前記底面と前記側面との間の前記溝部の内側の角度は、鈍角であり、前記矯正部は、前記支持部と、前記支持部に連結され前記ガスケットの一部を保持した保持部と、を有し、前記支持部は、前記側面に押圧されることにより前記側面に沿って傾倒可能であり、前記保持部は、前記支持部の傾倒に応じて前記ガスケットの一部を保持しつつ移動させる、燃料電池スタック。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

膜電極接合体の一方側に位置した第１セパレータと、第１セパレータに接触したガスケットと、ガスケットに接触した凹状の溝部を有した第２セパレータと、を備えた燃料電池スタックが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１２３３４３号公報

燃料電池スタックは、上記の部材が積層されて形成される。上記の部材が積層される際に、第２セパレータの溝部に対するガスケットの位置が所望の位置からずれた状態で積層される場合がある。これにより、ガスケットのシール性が低下する可能性がある。

そこで本発明は、ガスケットの位置ずれが抑制された燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に位置した第１セパレータと、前記膜電極接合体を支持した支持フレーム及び前記第１セパレータの一方に接合された支持部を介して接続されたガスケットと、前記ガスケットに接触した凹状の溝部を有した第２セパレータと、前記溝部に対する前記ガスケットの位置を矯正する矯正部と、を備え、前記溝部は、前記ガスケットに接触した底面と、前記底面に連続した側面と、を有し、前記底面と前記側面との間の前記溝部の内側の角度は、鈍角であり、前記矯正部は、前記支持部と、前記支持部に連結され前記ガスケットの一部を保持した保持部と、を有し、前記支持部は、前記側面に押圧されることにより前記側面に沿って傾倒可能であり、前記保持部は、前記支持部の傾倒に応じて前記ガスケットの一部を保持しつつ移動させる、燃料電池スタックによって達成できる。

ガスケットの位置ずれが抑制された燃料電池スタックを提供できる。

図１は、燃料電池の単セルの分解斜視図である。 図２Ａは、矯正部の説明図であり、図２Ｂは、溝部の湾曲部周辺を示したセパレータの部分拡大図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、矯正部によるガスケットの位置の矯正の説明図である。 図４は、変形例の単セルの説明図である。

図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。

燃料電池スタック１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、ＭＥＧＡ１０を挟持するカソードセパレータ２０及びアノードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。支持フレーム１８は、樹脂製であり、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ１０の周縁領域に接合されている。

セパレータ２０の２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。同様に、支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。同様に、セパレータ４０の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。孔ｃ１、ｓ１、及びａ１は連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ｃ２、ｓ２、及びａ２は、冷媒入口マニホールドを、孔ｃ３、ｓ３、及びａ３はアノード出口マニホールドを、孔ｃ４、ｓ４、及びａ４はアノード入口マニホールドを、孔ｃ５、ｓ５、及びａ５は冷媒出口マニホールドを、孔ｃ６、ｓ６、及びａ６はカソード出口マニホールドを画定する。

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路溝４０Ａ（以下、流路溝と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路溝２０Ａ（以下、流路溝と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路溝４０Ａとは反対側の面、及びセパレータ２０の流路溝２０Ａとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路溝２０Ｂ及び４０Ｂ（以下、流路溝と称する）がそれぞれ形成されている。流路溝２０Ａ及び２０Ｂはセパレータ２０の長手方向に延びている。流路溝４０Ａ及び４０Ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向に延びている。

セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。

ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、不図示の膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）とを有している。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層及びカソード触媒層（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層は、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、２つの触媒層のそれぞれに接合されている。

支持フレーム１８のセパレータ４０と反対側の面には、ガスケット５０、及び複数のガスケット６０が設けられている。ガスケット５０は、孔ｓ１、孔ｓ６、及びＭＥＧＡ１０を含む全体を包囲している。ガスケット６０は、孔ｓ２〜ｓ５のそれぞれを包囲している。図１に示した単セル２の上方側に隣接する他の単セルのセパレータ２０には、支持フレーム１８と対向する側の面に、ガスケット５０及び６０のそれぞれに対応するように、周回状に連続した凹状の溝部が複数形成されている。ガスケット５０は、複数の湾曲部５１〜５８を有し、湾曲部５１〜５８にはそれぞれ後述する矯正部７０が設けられている。矯正部７０は、複数の単セル２の積層工程において発生し得るガスケット５０の位置ずれを矯正する。以下では、湾曲部５１に配置された矯正部７０を例示して説明する。

図２Ａは、矯正部７０の説明図である。図２Ａは、ガスケット５０が延びた方向に垂直な断面図である。図２Ａは、複数の他の単セルが積層される前の単セル２を示している。矯正部７０は、支持フレーム１８のセパレータ４０とは反対側の面に設けられており、ガスケット５０の湾曲部５１を保持している。ガスケット５０は、矯正部７０により保持されているが、支持フレーム１８には固定されていない。支持フレーム１８とセパレータ４０とは、熱可塑性又は熱硬化性の接着剤１００により接合されている。また、セパレータ４０とセパレータ２０とは、不図示の接着剤または溶接等により接合されている。

矯正部７０は、低剛性部７１ａ及び７１ｂ、高剛性部７３ａ及び７３ｂ、保持部７５を有している。低剛性部７１ａ及び７１ｂは、互いに所定の間隔を空けて、支持フレーム１８のセパレータ４０とは反対側の面に接着されている。低剛性部７１ａ及び７１ｂのそれぞれの先端に高剛性部７３ａ及び７３ｂが接合されている。高剛性部７３ａ及び７３ｂは、上端面が半球状に形成されている。低剛性部７１ａ及び７１ｂと高剛性部７３ａ及び７３ｂとは、支持フレーム１８に設けられた支持部の一例である。

高剛性部７３ａ及び７３ｂは、棒状の保持部７５を、支持フレーム１８のセパレータ４０とは反対側の面と略平行な状態となるように支持している。具体的には、高剛性部７３ａのガスケット５０側の側面には、保持部７５の一端が遊嵌した孔部が形成されており、同様に、高剛性部７３ｂのガスケット５０側の側面には、保持部７５の他端が遊嵌した孔部が形成されている。低剛性部７１ａ及び７１ｂは、高剛性部７３ａ及び７３ｂや保持部７５よりも剛性が低く形成されている。例えば低剛性部７１ａ及び７１ｂは弾性を有したゴム製であり、高剛性部７３ａ及び７３ｂと保持部７５とは樹脂製である。保持部７５は、ガスケット５０の湾曲部５１を貫通しており、保持部７５の支持フレーム１８からの高さ位置は、燃料電池スタック１の積層する前の単セル２の状態において、ガスケット５０の湾曲部５１が支持フレーム１８の面に接触しない程度に設定されている。

セパレータ２０に形成された溝部２５には、積層方向でガスケット５０の湾曲部５１に対応した位置に湾曲部２５１が形成されている。図２Ｂは、溝部２５の湾曲部２５１周辺を示したセパレータ２０の部分拡大図である。溝部２５は、直線状に延びた部分の幅Ｗよりも、湾曲部２５１の幅Ｗａの方が大きく形成されている。幅Ｗａは、矯正部７０を収容できる程度の大きさに設定されている。尚、溝部２５のその他の湾曲部も同様に幅広に設定されており、矯正部７０を収容可能な大きさの幅に設定されている。

溝部２５の具体的な形状について説明する。図２Ａに示すように、湾曲部２５１は、底面２５１ｃと、底面２５１ｃに連続して挟む側面２５１ａ及び２５１ｂとを含む。側面２５１ａ及び２５１ｂは、底面２５１ｃに対して垂直ではなく、側面２５１ａと底面２５１ｃとの間の湾曲部２５１の内側の角度、側面２５１ｂと底面２５１ｃとの間の湾曲部２５１の内側の角度が、それぞれ鈍角に設定されている。側面２５１ａ及び２５１ｂ間の距離は、底面２５１ｃの中心に位置した状態でセパレータ２０、支持フレーム１８、セパレータ４０を積層した場合に、側面２５１ａ及び２５１ｂがそれぞれ高剛性部７３ａ及び７３ｂに接触しない程度に設定されている。尚、図２Ａには、溝部２５の直線状の部分での側面２５ａ及び２５ｂの位置を点線で示しており、側面２５ａ及び２５ｂは側面２５１ａ及び２５１ｂよりも内側に位置していることがわかる。

上述したように、支持フレーム１８とセパレータ４０とは、熱可塑性又は熱硬化性の接着剤１００により接合されている。即ち、支持フレーム１８とセパレータ４０との接合の際には、接着剤１００を含めて支持フレーム１８も加熱される。ここで、支持フレーム１８は絶縁性を確保するために上述したように樹脂材料により形成されているため、この加熱により熱変形する可能性がある。これにより、支持フレーム１８が平面方向で伸縮する可能性がある。ここで、例えば支持フレーム１８の面上に予めガスケット５０が接合されている場合には、支持フレーム１８の熱変形に伴ってガスケット５０が所望の位置からずれ、この状態で各部材が積層される可能性がある。また、支持フレーム１８が熱変形しない場合であっても、各部材の寸法精度のばらつきや、積層時での各部材の位置決めの精度等の影響により、ガスケット５０が所望の位置からずれた状態で各部材が積層される可能性がある。これにより、ガスケット５０のシール性が低下する可能性があり、また、複数の単セル間での積層方向でのガスケット５０による反力にばらつきができ、複数の単セルが積層された積層体に対して湾曲するような力が作用する可能性もある。従って本実施例では、矯正部７０によりガスケット５０の位置を矯正することにより、燃料電池スタック１のガスケット５０の位置ずれを抑制する。以下に、矯正部７０によるガスケット５０の位置の矯正について説明する。

図３Ａ〜図３Ｃは、矯正部７０によるガスケット５０の位置の矯正の説明図である。ガスケット５０の位置の矯正は、単セル２が複数積層される工程において実現される。従って、図３Ａ〜図３Ｃでは、単セル２とこれに上方側に隣接した他の単セルのセパレータ２０及び４０を示し、他の単セルのそのほかの部材については図示を省略している。図３Ａには、上述したように支持フレーム１８の熱変形により、矯正部７０と共にガスケット５０の湾曲部５１が底面２５１ｃの中心を通過する中心線ＣＬから側面２５１ｂ側にずれた場合を示している。

この状態で単セル２に対して他の単セルが積層されると、図３Ｂに示すように、高剛性部７３ｂが他の単セルのセパレータ２０の側面２５１ｂに接触する。更に単セル２に対して他の単セルが接近すると、高剛性部７３ｂが他の単セルのセパレータ２０の側面２５１ｂに先に接触して押圧され、側面２５１ｂに沿って高剛性部７３ｂが湾曲部２５１の内側に傾く。具体的には、上述したように低剛性部７１ｂは高剛性部７３ｂよりも剛性が低いため、低剛性部７１ｂが潰れながら湾曲する。これにより高剛性部７３ｂが傾倒し、高剛性部７３ｂは保持部７５を高剛性部７３ａ側に押圧して、保持部７５は高剛性部７３ａ側に移動し、高剛性部７３ａは高剛性部７３ｂと同様に傾倒し、低剛性部７１ａは低剛性部７１ｂと同様に変形する。ここで、上述したように保持部７５の一端と他端とはそれぞれ高剛性部７３ａ及び７３ｂにそれぞれ形成された孔部に遊嵌しているため、高剛性部７３ａ及び７３ｂが同一方向に傾いた状態でも保持部７５を保持できる。これにより、図３Ｃに示すように、保持部７５が貫通したガスケット５０の湾曲部５１も、中心線ＣＬ側に移動させることができ、位置が矯正される。上記と同様に、ガスケット５０のその他の湾曲部５２〜５８のそれぞれに設けられている矯正部７０によってもガスケット５０の位置が矯正される。これにより、ガスケット５０全体が平面方向に移動して、位置ずれが矯正される。

図３Ｃにおいては、単セル２のセパレータ４０は、ＭＥＡ及び支持フレーム１８の一方側に位置した第１セパレータの一例である。他の単セルのセパレータ２０は、ガスケット５０に接触した凹状の溝部２５を有した第２セパレータの一例である。

尚、ガスケット５０が図３Ａにおいて中心線ＣＬよりも左側に位置ずれが生じていた場合には、高剛性部７３ａが側面２５１ａに先に接触して側面２５１ａに沿うように傾倒して、保持部７５は高剛性部７３ｂ側に移動して高剛性部７３ｂは高剛性部７３ａと同様に傾倒する。このようにして、ガスケット５０の位置ずれが矯正される。

また、ガスケット５０の位置ずれが発生していない場合では、積層時に高剛性部７３ａ及び７３ｂが略同時に他のセルの底面２５１ｃに接触し、低剛性部７１ａ及び７１ｂが垂直方向に潰れると共に保持部７５は支持フレーム１８側に移動し、湾曲部５１は支持フレーム１８と底面２５１ｃとの間で押圧される。

図２Ｂに示したように、矯正部７０が設けられた位置に対応して、溝部２５に幅広の部分が設けられている。このため、セパレータ２０全体に対する溝部２５の専有面積の増大が抑制されている。図２Ｂに示すように、湾曲部ではガスケットの溝幅を広く設定しやすいため、矯正部７０をガスケット５の湾曲部５１〜５８に配置することが効果的である。また、ガスケット５０の湾曲部５１の位置を矯正することにより、湾曲部５１を挟むように連続したガスケット５０の２つの直線状の部分の位置も矯正できる。

保持部７５の一端及び他端の少なくとも一方が、ヒンジ機構により高剛性部７３ａ又は７３ｂの一方に回転可能に連結されていてもよい。保持部７５は、インサート成形によりガスケット５０と一体に設けられているが、これに限定されない。例えば２つの棒体によりガスケット５０を両側から挟むようにしてガスケット５０を保持したものであってもよい。保持部７５は、棒状に限定されず、単セルの積層方向の厚みが薄い板状であってもよい。

上述した矯正部７０は、ガスケット５０の湾曲部５１〜５８のそれぞれの位置に設けられているが、何れかの湾曲部に設けられていてもよいし、湾曲部以外に設けられていてもよい。

図４は、変形例の単セル２´の説明図である。単セル２´の矯正部７０´は、ガスケット５０の湾曲部５１を片持ち状に保持している。具体的には、上述した低剛性部７１ｂ、高剛性部７３ｂは設けられていない。また、保持部７５´は、上述した保持部７５よりも短く形成されている。セパレータ２０´の溝部２５´の湾曲部２５１´の側面２５１ｂ´は、側面２５ｂと略同じ位置に設けられている。低剛性部７１ｂ及び高剛性部７３ｂが設けられていないためである。このように、ガスケット５０の位置ずれの方向が予め予想できる場合には、本変形例のように片側にのみ低剛性部７１ａ及び高剛性部７３ａを設けてもよい。本変形例では、矯正部７０´は小型化されており、それに対応する溝部２５´の湾曲部２５１´での幅の増大を抑制できる。このため、狭い領域にも矯正部７０´を設けることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、支持フレーム１８の一方側にセパレータ４０が接着剤１００により接着され、セパレータ４０上にガスケット５０及び矯正部７０又は矯正部７０´が設けられていてもよい。また、支持フレーム１８を備えずに、膜電極接合体をセパレータ２０およびセパレータ４０により両側から挟持し、膜電極接合体の周囲のセパレータ２０とセパレータ４０との間にゴムまたは接着剤で充填して接合され、セパレータ４０上にガスケット５０及び矯正部７０又は矯正部７０´が設けられていてもよい。この場合においても、各部材の寸法精度のばらつきなどにより、ガスケット５０の位置が所望の位置からずれる可能性があるからである。

１０ ＭＥＧＡ
１８ 支持フレーム
２０ カソードセパレータ（第２セパレータ）
２５ 溝部
２５１ａ、２５１ｂ 側面
２５１ｃ 底面
４０ アノードセパレータ（第１セパレータ）
５０ ガスケット
７０ 矯正部
７１ａ、７１ｂ 低剛性部（支持部）
７３ａ、７３ｂ 高剛性部（支持部）
７５ 保持部
１００ 接着剤

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の一方側に位置した第１セパレータと、
   前記膜電極接合体を支持した支持フレーム及び前記第１セパレータの一方に接合された支持部を介して接続されたガスケットと、
   前記ガスケットに接触した凹状の溝部を有した第２セパレータと、
   前記溝部に対する前記ガスケットの位置を矯正する矯正部と、を備え、
   前記溝部は、前記ガスケットに接触した底面と、前記底面に連続した側面と、を有し、
   前記底面と前記側面との間の前記溝部の内側の角度は、鈍角であり、
   前記矯正部は、前記支持部と、前記支持部に連結され前記ガスケットの一部を保持した保持部と、を有し、
   前記支持部は、前記側面に押圧されることにより前記側面に沿って傾倒可能であり、
   前記保持部は、前記支持部の傾倒に応じて前記ガスケットの一部を保持しつつ移動させる、燃料電池スタック。

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