JP2019192444A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガスがフレーム部材とセパレータとの接着部位から漏洩することを抑制する。【解決手段】複数の単セルが積層されることによって構成された燃料電池スタックにおいて、単セルは、膜電極ガス拡散層接合体とフレーム部材と２つのセパレータとを備える。２つのセパレータにはマニホールド孔が形成されている。フレーム部材は、マニホールド開口部と面内開口部と貫通孔と２つのセパレータのうちの一方のセパレータと接着する接着部位と、を有している。一方のセパレータは、平面視において、フレーム部材の貫通孔と交差する線上に形成され、複数の単セルのそれぞれの間をシールするためのシール部材が配置された第１凹部と、第１凹部よりも一方のセパレータの中央寄りに形成されて底面の少なくとも一部がフレーム部材の接着部位と接着され、弾性部材が配置され又は弾性部を有する第２凹部と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

特許文献１には、膜電極ガス拡散層接合体の両面のそれぞれにセパレータが配置された燃料電池単セルが開示されている。この単セルは、膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合された樹脂フレームがセパレータと接着されているように構成されている。

特開２０１７−１１７７８０号公報

樹脂フレームとセパレータの接着部位において、燃料電池単セルの内部を流れるガスから生じる、セパレータを単セルの内側から単セルの外側に押す力が、接着力よりも大きくなると、セパレータと樹脂フレームとの間に隙間が生じてガス漏れが発生してしまうという問題がある。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、複数の単セルが積層されることによって構成された燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックにおいて、前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合されたフレーム部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体の一の面と他の面のそれぞれに配置された２つのセパレータと、を備える。前記２つのセパレータは、それぞれの縁部にマニホールド孔を有する。前記フレーム部材は、前記マニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、前記マニホールド開口部と前記面内開口部との間に形成された反応ガス流路としての貫通孔と、前記貫通孔と前記面内開口部との間に設けられて前記２つのセパレータのうちの一方のセパレータと接着する接着部位と、を有する。前記一方のセパレータは、平面視において、前記フレーム部材の前記貫通孔と交差する線上に形成され、前記複数の単セルのそれぞれの間をシールするためのシール部材が配置された第１凹部と、前記第１凹部よりも前記一方のセパレータの中央寄りに形成されて底面の少なくとも一部が前記フレーム部材の前記接着部位と接着され、弾性部材が配置され又は弾性部を有する第２凹部と、を有する。
この形態の燃料電池スタックによれば、弾性部材又は弾性部によって第２凹部の底面に加えられる一の押圧力が、単セルの内部を流れる反応ガスにより生じる、一の押圧力と逆方向の他の押圧力を緩和するので、他の押圧力が接着部位における接着力を上回ってフレーム部材と第２凹部の底面との間に隙間を生じさせてしまうことを抑制でき、反応ガスが漏洩することを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法、燃料電池システム等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池スタックの斜視分解図。 カソード側セパレータ側から見た単セルの平面図。 貫通孔の長手方向に沿って切った断面図。 燃料電池スタックの断面図。 第２実施形態における燃料電池スタックの断面図。 第３実施形態における燃料電池スタックの断面図。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池スタック１００の斜視分解図である。燃料電池スタック１００は、例えば固体高分子形の燃料電池スタックである。燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応によって発電する。

燃料電池スタック１００は、複数の単セル１４０が積層されることによって構成されている。単セル１４０は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３２とＭＥＧＡ３２の周囲に接合されたフレーム部材３１とを有するＭＥＧＡプレート３０と、ＭＥＧＡプレート３０の一の面と他の面のそれぞれに配置されたアノード側セパレータ４０及びカソード側セパレータ５０と、を備える。ＭＥＧＡ３２は、図示しない電解質膜の両面にそれぞれカソード電極とアノード電極が配置され、さらにその両面のそれぞれに１枚のガス拡散層が配置されているように構成されている。フレーム部材３１は、例えば熱可塑性樹脂やゴム等によって形成されている。アノード側セパレータ４０及びカソード側セパレータ５０は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタンなどの金属部材によって形成されている。

アノード側セパレータ４０及びカソード側セパレータ５０のそれぞれの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、酸化ガス入口マニホールド孔７２とが並んで形成されている。他端縁部には、酸化ガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８３と、燃料ガス出口マニホールド孔６４とが並んで形成されている。アノード側セパレータ４０のＭＥＧＡプレート３０側の面には、筋状の凹凸によって燃料ガス流路溝４２が形成されている。カソード側セパレータ５０の両面のうち、ＭＥＧＡプレート３０側の面には、筋状の凹凸によって酸化ガス流路溝５２が形成され、その反対側の面は、酸化ガス流路溝５２の裏側の位置に冷却媒体流路溝５４が形成されている。

ＭＥＧＡプレート３０のフレーム部材３１は、２つのセパレータ４０，５０の各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８３，８４に連通するマニホールド開口部６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８３ａ，８４ａと、ＭＥＧＡ３２が配置される面内開口部３３と、を有する。マニホールド開口部６２ａと面内開口部３３との間には、複数のスリット状の貫通孔３４が形成されており、同様に、マニホールド開口部６４ａと面内開口部３３との間には、複数のスリット状の貫通孔３５が、マニホールド開口部７２ａと面内開口部３３との間には、複数のスリット状の貫通孔３６が、マニホールド開口部７４ａと面内開口部３３との間には、複数のスリット状の貫通孔３７がそれぞれ形成されている。貫通孔３４，３５は、燃料ガス用のマニホールド孔６２，６４と燃料ガス流路溝４２との間の燃料ガス流路の一部を構成する。貫通孔３６，３７は、酸化ガス用のマニホールド孔７２，７４と酸化ガス流路溝５２との間の酸化ガス流路の一部を構成する。

図２は、カソード側セパレータ５０側から見た単セル１４０の平面図である。図示の便宜上、フレーム部材３１の面内開口部３３と各貫通孔３４〜３７は破線で示されている。カソード側セパレータ５０には、反応ガス用のマニホールド孔６２，６４，７２，７４のそれぞれを取り囲む第１凹部９１ａ〜９１ｄと、反応ガス用のマニホールド孔６２，６４，７２，７４の全体及び冷却媒体流路溝５４を取り囲む第２凹部９２とが形成されている。平面視において、燃料ガス入口マニホールド孔６２を取り囲む第１凹部９１ａは、フレーム部材３１の貫通孔３４と交差する線上に形成されている。燃料ガス入口マニホールド孔６２近傍の第２凹部９２は、第１凹部９１ｂを取り囲むように形成されている。他の反応ガス用のマニホールド孔６４，７２，７４においても、各反応ガス用のマニホールド孔６４，７２，７４と各第１凹部９１ｂ〜９１ｄ及び第２凹部９２との位置関係、並びに、各第１凹部９１ｂ〜９１ｄと各貫通孔３５〜３７との位置関係は、燃料ガス入口マニホールド孔６２と同様である。

燃料ガス入口マニホールド孔６２を取り囲む第１凹部９１ａには、単セル１４０と隣接する他の単セル１４０との間をシールするためのシール部材８１ａが配置されている。具体的には、シール部材８１ａは、燃料ガスをシールする。同様に、燃料ガス出口マニホールド孔６４を取り囲む第１凹部９１ｂには、燃料ガスをシールするためのシール部材８１ｂが配置されており、酸化ガス入口マニホールド孔を取り囲む第１凹部９１ｃには、酸化ガスをシールするためのシール部材８１ｃが、酸化ガス出口マニホールド孔７４を取り囲む第１凹部９１ｄには、酸化ガスをシールするためのシール部材８１ｄが配置されている。なお、反応ガス用のマニホールド孔６２，６４，７２，７４の全体よりもカソード側セパレータ５０の外側に形成されている第２凹部９２には、冷却媒体をシールするためのシール部材８１ｅが配置されている。

燃料ガス入口マニホールド孔６２を取り囲む第１凹部９１ａよりもカソード側セパレータ５０の中央寄りに形成されている第２凹部９２には、複数の弾性部材８２ａが配置されている。同様に、第１凹部９１ｂよりもカソード側セパレータ５０の中央寄りに形成されている第２凹部９２には、複数の弾性部材８２ｂが配置されており、第１凹部９１ｃよりもカソード側セパレータ５０の中央寄りに形成されている第２凹部９２には、複数の弾性部材８２ｃが、第１凹部９１ｄよりもカソード側セパレータ５０の中央寄りに形成されている第２凹部９２には、複数の弾性部材８２ｄが配置されている。弾性部材８２ａ〜８２ｄは、例えばゴムやバネ等の弾性体によって形成されている。

図３は、図２に示す貫通孔３４の長手方向に沿って切った断面ＩＩＩの説明図である。破線の矢印は、燃料ガスの流れを示している。カソード側セパレータ５０において、第１凹部９１ａの両側には、凸部５０ａ，５０ｂが隣接しており、第２凹部９２の両側には、凸部５０ｂ，５０ｃが隣接している。本明細書では、セパレータ４０，５０における「凹部」とは、フレーム部材３１の表面に近付くように突出している部分のことをいう。セパレータ４０，５０における「凸部」とは、凹部よりフレーム部材３１の表面から離れている部分のことを言う。従って、通常は、凹部の周囲は凸部となっている。

カソード側セパレータ５０の第１凹部９１ａの底面９１ｓの幅Ｗｓは、貫通孔３４の長さＬｈよりも小さい。第１凹部９１ａの底面９１ｓの幅Ｗｓは、貫通孔３４の長手方向に沿って測った寸法を意味する。燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド孔６２に流れ込むと、カソード側セパレータ５０の凸部５０ａとフレーム部材３１との間に形成された隙間Ｇ１を介して貫通孔３４に流れた後、アノード側セパレータ４０の凸部４０ｂとフレーム部材３１との間に形成された隙間Ｇ２を介して燃料ガス流路溝４２（図１）に流れる。このように、第１凹部９１ａの底面９１ｓの幅Ｗｓが貫通孔３４の長さＬｈよりも小さいので、燃料ガスは、第１凹部９１ａに隔てられることなく、貫通孔３４を介して、燃料ガス入口マニホールド孔６２と燃料ガス流路溝４２との間を流れることができる。

フレーム部材３１の貫通孔３４と面内開口部３３との間には、カソード側セパレータ５０と接着する接着部位３１ａｔが設けられている。接着部位３１ａｔは、例えば接着部位３１ａｔのカソード側セパレータ５０側の表面に塗布された接着剤によって、カソード側セパレータ５０の第２凹部９２の底面９２ｓと接着されている。なお、接着部位３１ａｔは、熱プレスによって第２凹部９２の底面９２ｓと接着されてもよい。図３の例では、接着部位３１ａｔは第２凹部９２の底面９２ｓの一部と接着されているが、接着部位３１ａｔは、第２凹部９２の底面９２ｓの全体と接着するように設けられてもよい。弾性部材８２ａは、積層方向において接着部位３１ａｔと同一線上とならないように配置されている。なお、弾性部材８２ａは、積層方向において接着部位３１ａｔと同一線上に配置されてもよい。弾性部材８２ａは、略直方体の形状を有する。

図４は、複数の単セル１４０が積層されている状態の図３に対応する断面図、つまり燃料電池スタック１００の図３に対応する断面図である。複数の単セル１４０が積層されている状態では、積層方向に図示しない締結部材による締結力が加えられるので、シール部材８１ａ及び弾性部材８２ａは、積層方向において隣接する他の単セル１４０のアノード側セパレータ４０に押圧されて変形する。図４の例では、弾性部材８２ａは、カソード側セパレータ５０の第２凹部９２の底面９２ｓに、単セル１４０の外側から内側に向かう押圧力Ｆ２を加える。一方、単セル１４０の内部を流れる反応ガスは、第２凹部９２の底面９２ｓに、単セル１４０の内側から外側に向かう押圧力Ｆ１を加える。ここで、弾性部材８２ａによって第２凹部９２の底面９２ｓに加えられた押圧力Ｆ２は、反応ガスが流れることによって生じた押圧力Ｆ１を緩和するので、押圧力Ｆ１が接着部位３１ａｔにおける接着力を上回ってフレーム部材３１と第２凹部９２の底面９２ｓとの間に隙間を生じさせてしまうことを抑制でき、反応ガスが漏洩することを抑制できる。

以上説明したように、第１実施形態では、カソード側セパレータ５０において、底面９２ｓがフレーム部材３１と接着されている第２凹部９２に配置された弾性部材８２ａによって底面９２ｓに加えられた押圧力Ｆ２は、単セル１４０の内部を流れる反応ガスによって第２凹部９２の底面９２ｓに加えられた押圧力Ｆ１を緩和するので、押圧力Ｆ１が接着部位３１ａｔにおける接着力を上回ってフレーム部材３１と第２凹部９２の底面９２ｓとの間に隙間を生じさせてしまうことを抑制でき、反応ガスが漏洩することを抑制できる。なお、以上の説明では、第１凹部９１ａ〜９１ｄと第２凹部９２は、カソード側セパレータ５０に形成されているが、その代わりに、第１凹部９１ａ〜９１ｄと第２凹部９２は、アノード側セパレータ４０に形成されてもよい。

・第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ｘの断面図であり、図４に対応する図である。図５において、図４に示す第１実施形態との違いは、弾性部材８２ｘの形状であり、他の構成は第１実施形態と同様である。図５では、弾性部材８２ｘは略台状の形状を有する。図５においても、弾性部材８２ｘは、隣接する他の単セル１４０のアノード側セパレータ４０に押圧されることによって、カソード側セパレータ５０の第２凹部９２の底面９２ｓに押圧力Ｆ２を加える。こうすれば、押圧力Ｆ２が反応ガスによって第２凹部９２の底面９２ｓに加えられた押圧力Ｆ１を緩和するので、押圧力Ｆ１が接着部位３１ａｔにおける接着力を上回ってフレーム部材３１と第２凹部９２の底面９２ｓとの間に隙間を生じさせてしまうことを抑制でき、反応ガスが漏洩することを抑制できる。

・第３実施形態：
図６は、第３実施形態における燃料電池スタック１００ｙの断面図であり、図４に対応する図である。図６において、図４に示す第１実施形態との違いは、カソード側セパレータ５０の第２凹部９２ｙの構成であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。図６では、カソード側セパレータ５０の第２凹部９２ｙは、弾性部８２ｙを有する。弾性部８２ｙは、第２凹部９２ｙの底面９２ｓｙの一部が積層方向に突出することによって形成されている。すなわち、第２凹部９２ｙは、弾性部８２ｙによって左部分Ｌと右部分Ｒに分割されている。弾性部８２ｙが隣接する他の単セル１４０のアノード側セパレータ４０に押圧されることによって、第２凹部９２ｙの左部分Ｌの底面９２ｓｙ及び右部分Ｒの底面９２ｓｙには、単セル１４０の外側から内側に向かう押圧力Ｆ３が加えられる。この押圧力Ｆ３は、反応ガスによって第２凹部９２ｙの底面９２ｓｙに加えられた押圧力Ｆ１を緩和するので、押圧力Ｆ１が接着部位３１ａｔにおける接着力を上回ってフレーム部材３１と第２凹部９２ｙの底面９２ｓｙとの間に隙間を生じさせてしまうことを抑制でき、反応ガスが漏洩することを抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

３０…ＭＥＧＡプレート、３１…フレーム部材、３１ａｔ…接着部位、３２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、３３…面内開口部、３４〜３７…貫通孔、４０…アノード側セパレータ、４０ｂ…凸部、４２…燃料ガス流路溝、５０…カソード側セパレータ、５０ａ〜５０ｃ…凸部、５２…酸化ガス流路溝、５４…冷却媒体流路溝、６２…燃料ガス入口マニホールド孔、６２ａ…マニホールド開口部、６４…燃料ガス出口マニホールド孔、６４ａ…マニホールド開口部、７２…酸化ガス入口マニホールド孔、７２ａ…マニホールド開口部、７４…酸化ガス出口マニホールド孔、７４ａ…マニホールド開口部、８１ａ〜８１ｅ…シール部材、８３…冷却媒体入口マニホールド孔、８３ａ…マニホールド開口部、８２ａ〜８２ｄ，８２ｘ…弾性部材、８２ｙ…弾性部、８４…冷却媒体出口マニホールド孔、８４ａ…マニホールド開口部、９１ａ〜９１ｄ…第１凹部、９１ｓ…底面、９２…第２凹部、９２ｓ…底面、９２ｓｙ…底面、９２ｙ…第２凹部、１００…燃料電池スタック、１００ｘ…燃料電池スタック、１００ｙ…燃料電池スタック、１４０…単セル、Ｇ１…隙間、Ｇ２…隙間、Ｌ…左部分、Ｒ…右部分

Claims (1)

1. 複数の単セルが積層されることによって構成された燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合されたフレーム部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体の一の面と他の面のそれぞれに配置された２つのセパレータと、を備え、
   前記２つのセパレータは、それぞれの縁部にマニホールド孔を有し、
   前記フレーム部材は、前記マニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、前記マニホールド開口部と前記面内開口部との間に形成された反応ガス流路としての貫通孔と、前記貫通孔と前記面内開口部との間に設けられて前記２つのセパレータのうちの一方のセパレータと接着する接着部位と、を有し、
   前記一方のセパレータは、平面視において、前記フレーム部材の前記貫通孔と交差する線上に形成され、前記複数の単セルのそれぞれの間をシールするためのシール部材が配置された第１凹部と、前記第１凹部よりも前記一方のセパレータの中央寄りに形成されて底面の少なくとも一部が前記フレーム部材の前記接着部位と接着され、弾性部材が配置され又は弾性部を有する第２凹部と、を有する、
   燃料電池スタック。

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