JP2022166476A - 燃料電池のセルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】生産コストを低く抑えることができる燃料電池のセルスタックを提供する。【解決手段】燃料電池のセルスタックは、セパレータ４，５を有する燃料電池セル１が厚さ方向に重ねられており、燃料電池セル１に対して給排される流体を流すための流路が形成されている。セルスタックは、接着シート１７とビード部１８，１９と突起部２０とを備えている。接着シート１７は、燃料電池セル１の厚さ方向におけるセパレータ４とその隣に位置するセパレータ５との間に配置される。ビード部１８，１９は、セパレータ４，５から対向するように突出して接着シート１７を挟むことにより、セパレータ４とセパレータ５との間における上記流路のシールを行うものとされる。突起部２０は、ビード部１８の隣でセパレータ４から突出し、同様に突出する上記ビード部１８よりも高い突出高さを有している。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池のセルスタックに関する。

特許文献１に示されるように、燃料電池のセルスタックは、燃料電池セルを厚さ方向に重ねることによって形成されている。燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas-diffusion Assembly）、及び、セパレータを有している。燃料電池のセルスタックには、燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒といった流体を燃料電池セルに流すための流路が形成されている。セルスタックにおけるセパレータの隣の部材と同セパレータとの間には、上記流路のシールを行うゴムガスケットが設けられている。このゴムガスケットによって上記流路から流体が漏れないようにされる。

特開２００６－１４７５０２号公報

セルスタックにおけるセパレータの隣の部材と同セパレータとの間にゴムガスケットを設け、上記流路をゴムガスケットによってシールする場合、そのゴムガスケットを設けることに伴ってセルスタックの生産コストが高くなる。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池のセルスタックは、セパレータを有する燃料電池セルが厚さ方向に重ねられており、燃料電池セルに対して給排される流体を流すための流路が形成されている。上記セルスタックは、接着シートとビード部と突起部とを備えている。接着シートは、燃料電池セルの厚さ方向におけるセパレータの隣の部材と同セパレータとの間に配置される。ビード部は、セパレータ及び上記隣の部材から対向するように突出して接着シートを挟むことにより、セパレータと上記隣の部材との間における上記流路のシールを行うものとされる。突起部は、ビード部の隣でセパレータと上記隣の部材との一方から突出し、同様に突出する上記ビード部よりも高い突出高さを有している。

上記構成によれば、セルスタックの製造時、セパレータの隣の部材と同セパレータとの間に接着シートを配置した状態で、それらセパレータと上記隣部材とが厚さ方向に重ねられる。このとき、セパレータ及び上記隣の部材から対向するように突出するビード部によって接着シートが挟まれ、その接着シートによってセパレータと上記隣の部材との間における上記流路のシールが行われる。接着シートはゴムガスケットと比較して低価格であるため、ゴムガスケットに代えて接着シートが用いられている分、燃料電池のセルスタックの製造コストを低く抑えることができる。

また、セルスタックの製造時、セパレータ及び上記隣の部材から対向するように突出するビード部で接着シートが挟まれる前には、ビード部の隣に位置する突起部により接着シートが押される。これにより接着シートが張った状態とされ、同接着シートにおけるビード部で挟まれる箇所に皺が生じないようにされる。従って、接着シートに皺が生じたまま、同接着シートがビード部によって挟まれることはない。仮に、接着シートに皺が生じたまま、同接着シートがビード部によって挟まれたとすると、その状態を解消するために接着シートを挟み直さなければならず、その作業に手間がかかるようになる。

燃料電池のセルスタックを示す断面図。 燃料電池セルを示す正面図。 燃料電池セルを分解した状態を示す斜視図。 セルスタックにおけるセパレータの孔周りを拡大して示す正面図。 セルスタックを図４の矢印Ａ－Ａ方向から見た状態を示す断面図。 セルスタックの他の例を示す断面図。 セルスタックの他の例を示す断面図。

以下、燃料電池のセルスタックの一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池のセルスタックは、複数の燃料電池セル１をその厚さ方向に重ねることによって形成されている。燃料電池セル１は、膜電極ガス拡散層接合体２とセパレータ４，５とを備えている。膜電極ガス拡散層接合体２は、シート状に形成されている。セパレータ４，５は、膜電極ガス拡散層接合体２をその厚さ方向の両側から挟んでいる。

セパレータ４，５の本体４ａ，５ａは、セルスタックにおける隣合う膜電極ガス拡散層接合体２の間に配置されている。本体４ａと本体５ａとは、隣合う燃料電池セル１同士の間で隣接している。本体４ａ，５ａは、チタン、ステンレス、及びアルミニウムといった金属によって形成されていてもよいし、カーボン等の金属以外の材料によって形成されていてもよい。

セパレータ４の本体４ａには複数の溝４ｂ，４ｃが形成されている。複数の溝４ｂは、互いに平行となっており、且つ本体４ａに沿って延びている。溝４ｂは、酸化ガス（空気等）を流す流路１３を、本体４ａと膜電極ガス拡散層接合体２との間に形成するためのものである。複数の溝４ｃも、互いに平行となっており、且つ本体４ａに沿って延びている。溝４ｃは、冷媒（冷却水等）を流す流路１４を、本体４ａと本体５ａとの間に形成するためのものである。

セパレータ５の本体５ａにも複数の溝５ｂ，５ｃが形成されている。複数の溝５ｂは、互いに平行となっており、且つ本体５ａに沿って延びている。溝５ｂは、燃料ガス（水素等）を流す流路１６を、本体４ａと膜電極ガス拡散層接合体２との間に形成するためのものである。複数の溝５ｃも、互いに平行となっており、且つ本体５ａに沿って延びている。溝５ｃも、冷却水を流す上記流路１４を、本体４ａと本体５ａとの間に形成するためのものである。

燃料電池のセルスタックでは、酸化ガスが流路１３を通過するとともに燃料ガスが流路１６を通過すると、それら酸化ガスと燃料ガスとの膜電極ガス拡散層接合体２での反応に基づき発電が行われる。また、冷却水が流路１４を通過すると、その冷却水によって発電時に発生する熱が奪われ、燃料電池セル１が冷却されるようになる。

図２及び図３はそれぞれ、燃料電池セル１を正面から見た状態、及び、同燃料電池セル１を分解した状態を示している。これらの図から分かるように、燃料電池セル１は長方形の板状に形成されている。燃料電池セル１における膜電極ガス拡散層接合体２の周縁部には、四角枠状をなす樹脂プレート３が接合されている。燃料電池セル１のセパレータ４，５は、膜電極ガス拡散層接合体２及び樹脂プレート３を、それらの厚さ方向の両側から挟んでいる。

燃料電池セル１の樹脂プレート３及びセパレータ４，５には、孔６～１１が形成されている。孔６～１１は、燃料電池セル１の長手方向両端部に位置しており、樹脂プレート３及びセパレータ４，５を厚さ方向に貫通している。孔６～１１の内形は長方形状となっている。これらの孔６～１１は、水素、空気、及び冷却水といった上述した流体を流すことが可能であり、それらの流体をセルスタックに流入させたり同セルスタックから流出させたりするためのものである。

孔６，７は、流路１３（図１）と繋がっている。孔６は、セルスタックに空気を流入させるものであり、セルスタックで発電に用いられなかった空気は孔７からセルスタックの外に流出する。これら孔６，７及び流路１３により、燃料電池セル１に空気を流すための流路が形成されている。セルスタックにおいては、こうした流路のシールを行うためのシール部材が、セパレータ４とその隣の部材である樹脂プレート３との間に設けられる。

孔１０，１１は、流路１４（図１）と繋がっている。孔１０はセルスタックに冷却水を流入させるものであり、セルスタックを冷却した後の冷却水は孔１１からセルスタックの外に流出する。これら孔１０，１１及び流路１４により、燃料電池セル１に冷却水を流すための流路が形成されている。セルスタックにおいては、こうした流路のシールを行うためのシール部材が、セパレータ４とその隣の部材であるセパレータ５、すなわちセパレータ４と隣合う燃料電池セル１のセパレータ５との間に設けられる。

孔８，９は、流路１６（図１）と繋がっている。孔８はセルスタックに水素を流入させるものであり、セルスタックで発電に用いられなかった水素は孔９からセルスタックの外に流出する。これら孔８，９及び流路１６により、燃料電池セル１に水素を流すための流路が形成されている。セルスタックにおいては、こうした流路のシールを行うためのシール部材が、セパレータ５とその隣の部材である樹脂プレート３との間に設けられる。

ここで、上記シール部材としてゴムガスケットを用いる場合、セルスタックの生産コストが高くなる。このため、本実施形態のセルスタックでは、セパレータ４とセパレータ５との間に配置されるシール部材として、図３に示す接着シート１７を用いている。この接着シート１７は、ゴムや軟質樹脂といった材料をシート状とすることによって形成されており、単純な形状であるためにゴムガスケットと比較して低価格で生産することができる。こうした接着シート１７を用いることにより、セルスタックの生産コストを低く抑えることができる。

接着シート１７は、上記流路のシールを行うために必要な箇所（以下、シールラインという）に対応して位置するようにされている。詳しくは、セパレータ４とセパレータ５との間のシールラインが、例えば図２に二点鎖線で示すように位置しているとすると、その二点鎖線が接着シート１７によって覆われるようにされる。従って、接着シート１７がセパレータ４とセパレータ５との間に挟まれたとき、接着シート１７による二点鎖線で示すシールラインでの上記流路のシールが行われる。

次に、セルスタックにおける上記シールラインでの接着シート１７によるシール構造について説明する。なお、このシール構造は、上記シールラインのいずれの箇所でも同じであるため、以下ではセパレータ４，５の孔８周りに位置するシールラインでのシール構造について述べる。

図４は、セルスタックにおけるセパレータ４（図３）の孔８周りを拡大して示している。図４から分かるように、二点鎖線で示す上記シールラインは、孔８の周りを囲むように位置している。

図５は、セルスタックを図４の矢印Ａ－Ａ方向から見た状態を示している。図５から分かるように、セパレータ４の上記シールラインに対応する位置にはビード部１８が形成されている。セパレータ５におけるセパレータ４のビード部１８に対応する位置にはビード部１９が形成されている。これらビード部１８，１９はそれぞれ、セパレータ４，５を屈曲させることにより同セパレータ４，５から対向するように突出している。ビード部１８，１９は、接着シート１７を挟むことにより、セパレータ４とセパレータ５との間における流路のシールを行うものとなっている。なお、上記流路は、この例では孔８によって形成される流路である。

セパレータ４におけるビード部１８の隣には突起部２０が設けられている。この突起部２０は、ビード部１８の両隣のうちの一方のみに設けられている。突起部２０は、ビード部１８から所定の距離をおいて位置しており、セパレータ４を屈曲させることによってビード部１８と同方向に突出している。この突起部２０はビード部１８よりも高い突出高さを有している。言い換えれば、セパレータ４における突起部２０の突出高さは、セパレータ４におけるビード部１８の突出高さよりも大きくされている。これにより、突起部２０の突出方向の先端は接着シート１７に当接している。突起部２０とビード部１８との上記突出高さの差については、例えばセパレータ４の寸法公差によって上記差が「０」になることのない値とすることが考えられる。

図４に示すように、セパレータ４のビード部１８は、図４に二点鎖線で示す上記シールラインに沿って延びている。セパレータ５のビード部１９も、セパレータ４のビード部１８と同様に延びている。言い換えれば、ビード部１８，１９はそれぞれ、突出方向と直交する方向に長く延びる形状となっている。ビード部１８，１９は孔８の周りを囲んでいる。また、セパレータ４の突起部２０は、ビード部１８の延びる方向に定められた間隔をおいて複数設けられている。図４における突起部２０の形状は四角とされている。この形状については、例えば丸、多角形、ひし形、円弧状、及び波状など、適宜変更することが可能である。

次に、本実施形態における燃料電池のセルスタックの作用効果について説明する。
（１）セルスタックの製造時に燃料電池セル１を厚さ方向に重ねるに当たり、セパレータ４と隣の燃料電池セル１のセパレータ５との間にシール部材として接着シート１７を配置した状態で、それらセパレータ４とセパレータ５とが厚さ方向に重ねられる。このとき、セパレータ４及びセパレータ５から対向するように突出するビード部１８，１９によって接着シート１７が挟まれ、その接着シート１７によってセパレータ４とセパレータ５との間における流路のシールが行われる。接着シート１７はゴムガスケットといったシール部材と比較して低価格であるため、そのゴムガスケットに代えて接着シート１７が用いられている分、燃料電池のセルスタックの製造コストを低く抑えることができる。

（２）セルスタックの製造時、上述したようにセパレータ４及びセパレータ５から対向するように突出するビード部１８，１９で接着シート１７が挟まれる前には、ビード部１８の隣に位置する突起部２０により接着シート１７が押される。これにより接着シート１７が張った状態とされ、同接着シート１７におけるビード部１８，１９で挟まれる箇所に皺が生じないようにされる。従って、接着シート１７に皺が生じたまま、同接着シート１７がビード部１８，１９によって挟まれることはない。仮に、接着シート１７に皺が生じたまま、同接着シート１７がビード部１８，１９によって挟まれたとすると、その状態を解消するために接着シート１７を挟み直さなければならず、その作業に手間がかかるようになる。

（３）突起部２０がビード部１８の両隣のうちの一方のみに設けられているため、突起部２０を設けることによるセルスタックの大型化を抑制することができる。
（４）ビード部１８が突出方向と直交する方向に長く延びる形状となっており、突起部２０がビード部１８の延びる方向に定められた間隔をおいて複数設けられている。これにより、ビード部１８が上述した形状であっても、接着シート１７におけるビード部１８，１９で挟まれる箇所を複数の上記突起部２０によって効果的に張った状態とすることができ、且つ、それら突起部２０の大きさを小さく抑えてセルスタックの大型化を抑制することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図６に示すように、セパレータ４の突起部２０は、ビード部１８の両隣にそれぞれ設けられていてもよい。この場合、セパレータ４とセパレータ５とが厚さ方向に重ねられるとき、ビード部１８の両隣にそれぞれ設けられた突起部２０が接着シート１７を押すことにより、同接着シート１７におけるビード部１８，１９で挟まれる箇所を同ビード部１８の両隣から引っ張ることができる。これにより、接着シート１７におけるビード部１８，１９で挟まれる箇所に皺が生じることを、より効果的に抑制することができる。

・図７に示すように、ビード部１８，１９の両隣の突起部２０のうち、一方の突起部２０はセパレータ４から突出しており、他方の突起部２０はセパレータ５から突出していてもよい。

・図７に示すセルスタックにおいて、セパレータ４の突起部２０を省略してもよい。
・セパレータ４とその隣の部材である樹脂プレート３との間に配置されるシール部材として接着シートを用いてもよい。この場合、セパレータ４及び樹脂プレート３から対向するように突出して上記接着シートを挟むビード部が設けられ、そうしたビード部の隣に突起部が設けられる。

・セパレータ５とその隣の部材である樹脂プレート３との間に配置されるシール部材として接着シートを用いてもよい。この場合、セパレータ４及び樹脂プレート３から対向するように突出して上記接着シートを挟むビード部が設けられ、そうしたビード部の隣に突起部が設けられる。

１…燃料電池セル
２…膜電極ガス拡散層接合体
３…樹脂プレート
４…セパレータ
４ａ…本体
４ｂ，４ｃ…溝
５…セパレータ
５ａ…本体
５ｂ，５ｃ…溝
６～１１…孔
１３，１４，１６…流路
１７…接着シート
１８，１９…ビード部
２０…突起部

Claims (5)

1. セパレータを有する燃料電池セルが厚さ方向に重ねられており、前記燃料電池セルに対して給排される流体を流すための流路が形成されている燃料電池のセルスタックにおいて、
   接着シートとビード部と突起部とを備えており、
   前記接着シートは、前記燃料電池セルの厚さ方向における前記セパレータの隣の部材と同セパレータとの間に配置され、
   前記ビード部は、前記セパレータ及び前記隣の部材から対向するように突出して前記接着シートを挟むことにより、前記セパレータと前記隣の部材との間における前記流路のシールを行うものであって、
   前記突起部は、前記ビード部の隣で前記セパレータと前記隣の部材との一方から突出し、同様に突出する前記ビード部よりも高い突出高さを有している燃料電池のセルスタック。
2. 前記突起部は、前記ビード部の両隣のうちの一方のみに設けられている請求項１に記載の燃料電池のセルスタック。
3. 前記突起部は、前記ビード部の両隣にそれぞれ設けられている請求項１に記載の燃料電池のセルスタック。
4. 前記ビード部の両隣の前記突起部のうち、一方の突起部は前記セパレータから突出しており、他方の突起部は前記隣の部材から突出している請求項３に記載の燃料電池のセルスタック。
5. 前記ビード部は、突出方向と直交する方向に長く延びる形状となっており、
   前記突起部は、前記ビード部の延びる方向に定められた間隔をおいて複数設けられている請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池のセルスタック。

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