JP2023135767A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドを有し、前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第１シールラインと、当該第１シールラインを囲い且つ前記酸化剤ガスマニホールドを囲いシールする第２シールラインの２重シール構造を有し、前記第１シールラインと前記第２シールラインとの間の２重シール間空間部は、前記カソードセパレータの酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタック。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池については、様々な研究がなされている。
例えば特許文献１では、メタルばねシール外周シール部に詰め物を入れることで、外周部を介した脇流れを減らす、なくすことができる技術が開示されている。
特許文献２では、燃料ガス連通孔を流れている燃料ガスが、冷却媒体流路に進入することを確実に阻止することを可能にする燃料電池が開示されている。
特許文献３では、第１及び第２ビードシール部の間で、支持フレーム及びセパレータの少なくとも一方に貫通孔が設けられている、燃料電池スタックが開示されている。

特表２０１７－５３５９１５号公報 特開２００８－２７７１８４号公報 特開２０２０－１４９８０４号公報

燃料電池スタックは、従来技術では、シート状シール材（シールシート）を用いて外周部での低コストの、セルシール構造を実現させるために、燃料ガスマニホールドシール部が外周シールの内側に入る構造となる。その際に、燃料ガスが燃料ガスマニホールドシールラインを挟んで冷媒流路と接した構造となり、燃料ガスが冷媒流路に混入してしまうという問題がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる燃料電池スタックを提供することを主目的とする。

本開示においては、カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドを有し、
前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第１シールラインと、当該第１シールラインを囲い且つ前記酸化剤ガスマニホールドを囲いシールする第２シールラインの２重シール構造を有し、
前記第１シールラインと前記第２シールラインとの間の２重シール間空間部は、前記カソードセパレータの酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタックを提供する。

本開示の燃料電池スタックは、燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる。

図１は、上図が、本開示の燃料電池スタックの燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールド付近を平面視したときの一例を示す平面模式図であり、左下図がＡ－Ａ断面模式図であり、右下図がＢ－Ｂ断面模式図である。

以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄（例えば、本開示を特徴付けない燃料電池スタックの一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。

本開示においては、カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドを有し、
前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第１シールラインと、当該第１シールラインを囲い且つ前記酸化剤ガスマニホールドを囲いシールする第２シールラインの２重シール構造を有し、
前記第１シールラインと前記第２シールラインとの間の２重シール間空間部は、前記カソードセパレータの酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタックを提供する。

本開示においては、燃料ガスマニホールドを酸化剤ガスマニホールドの内側に設置することで、燃料ガスマニホールド外周は酸化剤ガスで満たされている構造とする。
本開示によれば、２重シール構造とし、燃料ガスが透過するシールシートに接する２重シール間空間部は酸化剤ガスで満たすことで、直接、冷媒側に燃料ガスが透過しない構造とすることができる。また、常に２重シール間空間部の燃料ガス濃度が上がらない状態とすることができる。

本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気、及び、乾燥空気等であってもよい。

本開示の燃料電池スタックは、カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いる。

セル積層体は、単セルを複数個積層した積層体である。
セル積層体における単セルの積層数は特に限定されず、２～数百個であってもよい。

燃料電池の単セルは、通常、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。

カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。

カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

単セルは、膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備える。２枚のセパレータは、一方がアノードセパレータであり、もう一方がカソードセパレータである。本開示では、アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等の孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス流路、冷媒流路等の流路を構成するリブを有していてもよい。
セパレータは、少なくとも冷媒流路側の面に供給孔及び排出孔等の孔を囲いシールシートのシールラインと位置合わせされたシールラインリブを有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。

セパレータの反応ガス流路は、反応ガスマニホールドに隣接して配置され反応ガスマニホールドと連通する反応ガス導出入部を有していてもよい。反応ガス導出入部は、反応ガス流路が酸化剤ガス流路の場合は、酸化剤ガスマニホールドと連通する酸化剤ガス導出入部であり、反応ガス流路が燃料ガス流路の場合は、燃料ガスマニホールドと連通する燃料ガス導出入部である。反応ガス導出入部は、反応ガスマニホールドが反応ガス入口マニホールドの場合は、反応ガス導入部であり、反応ガスマニホールドが反応ガス出口マニホールドの場合は、反応ガス導出部である。
反応ガス流路は、ガス分配部を有していてもよい。ガス分配部は、平面方向において、反応ガス導出入部の反応ガスマニホールドとは反対側の領域に隣接して配置され、反応ガスマニホールドから発電領域へガス流れを広げるか又は発電領域から反応ガスマニホールドへガス流れを収束させる部分である。ガス分配部は、反応ガスの入り口側ではガス流れを広げる構造を有する。ガス分配部は、反応ガスの出口側では、ガス流れを収束させる構造を有する。発電領域は、膜電極ガス拡散層接合体が配置されている領域であってもよい。

単セルは樹脂フレームを備えていてもよい。
樹脂フレームは、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置されてもよい。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、貫通孔を有していてもよい。
骨格部は、膜電極ガス拡散層接合体と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、膜電極ガス拡散層接合体の保持領域であり、膜電極ガス拡散層接合体を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、膜電極ガス拡散層接合体の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの貫通孔は、反応ガス、及び、冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの貫通孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。

コア層は、ガスシール性、絶縁性を有する構造部材であればよく、燃料電池の製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されていてもよい。具体的には、コア層の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、シクロオレフィン、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、エポキシ樹脂等の樹脂等であってもよい。コア層の材料は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、９０μｍ以下であってもよい。

第１シェル層及び第２シェル層は、コア層とアノードセパレータ及びカソードセパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１シェル層及び第２シェル層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、樹脂フレームと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。

樹脂フレームにおいて、第１シェル層及び第２シェル層は、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第１シェル層は、カソードセパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第２シェル層は、アノードセパレータと接着していてもよい。そして、樹脂フレームは、一対のセパレータにより挟持されてもよい。

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等の各孔が連通したマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、燃料ガス入口マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
本開示においては、燃料ガス入口マニホールド、及び、燃料ガス出口マニホールドをまとめて燃料ガスマニホールドという。
本開示においては、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、酸化剤ガス出口マニホールドをまとめて酸化剤ガスマニホールドという。
本開示においては、冷媒入口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールドをまとめて冷媒マニホールドという。
燃料電池スタックは、少なくとも燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドを有し、通常さらに冷媒マニホールドを有する。

シールシートは、隣り合う単セル間に配置され、隣り合う単セルのシール部材として用いられる。
シールシートは、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
シールシートの形状は、枠状であってもよい。シールシートのシールラインとなる枠は、セパレータのシールラインリブと位置合わせされていてもよい。
シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第１シールラインと、当該第１シールラインを囲い且つ前記酸化剤ガスマニホールドを囲いシールする第２シールラインの２重シール構造を有する。ここでいう燃料ガスマニホールドは、燃料ガス入口マニホールドであってもよく、燃料ガス出口マニホールドであってもよく、両方のマニホールドであってもよい。ここでいう酸化剤ガスマニホールドは、酸化剤ガス入口マニホールドであってもよく、酸化剤ガス出口マニホールドであってもよく、両方のマニホールドであってもよい。
２重シール構造は、第１シールラインと第２シールラインとの間に２重シール間空間部を有する。
第１シールラインと第２シールラインとの間の２重シール間空間部は、カソードセパレータの酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する。

図１は、上図が、本開示の燃料電池スタックの燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールド付近を平面視したときの一例を示す平面模式図であり、左下図がＡ－Ａ断面模式図であり、右下図がＢ－Ｂ断面模式図である。
図１の平面模式図で示すように本開示の燃料電池スタックのシールシート２４は、平面視において燃料ガスマニホールド１０を囲いシールする第１シールライン１１と、当該第１シールライン１１を囲い且つ酸化剤ガスマニホールド１２を囲いシールする第２シールライン１３の２重シール構造を有する。図示しないが、冷媒マニホールドは、第２シールライン１３の外側の領域の任意の位置に設けられていてもよい。燃料ガスマニホールド１０は、燃料ガス入口マニホールドであってもよく、燃料ガス出口マニホールドであってもよい。酸化剤ガスマニホールド１２は、酸化剤ガス入口マニホールドであってもよく、酸化剤ガス出口マニホールドであってもよい。
第１シールライン１１と第２シールライン１３との間には、２重シール間空間部１４が形成される。
Ａ－Ａ断面模式図で示すように、カソードセパレータ２０は酸化剤ガス流路２１を有し、酸化剤ガス流路２１から２重シール間空間部１４に酸化剤ガスが供給され、２重シール間空間部１４は酸化剤ガスで満たされている。ここでいう酸化剤ガス流路２１は、酸化剤ガス導出入部であってもよい。２重シール構造により、燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる。
Ｂ－Ｂ断面模式図で示すように、本開示の燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールド１０及び酸化剤ガスマニホールド１２付近においては、カソードセパレータ２０とアノードセパレータ２２と、カソードセパレータ２０とアノードセパレータ２２の間に配置された樹脂フレーム２３とを有し、隣り合う単セルがシールシート２４によりシールされている。アノードセパレータ２２は燃料ガス流路２５を有する。ここでいう燃料ガス流路２５は、燃料ガス導出入部であってもよい。

１０ 燃料ガスマニホールド
１１ 第１シールライン
１２ 酸化剤ガスマニホールド
１３ 第２シールライン
１４ ２重シール間空間部
２０ カソードセパレータ
２１ 酸化剤ガス流路
２２ アノードセパレータ
２３ 樹脂フレーム
２４ シールシート
２５ 燃料ガス流路

Claims (1)

1. カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドを有し、
   前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第１シールラインと、当該第１シールラインを囲い且つ前記酸化剤ガスマニホールドを囲いシールする第２シールラインの２重シール構造を有し、
   前記第１シールラインと前記第２シールラインとの間の２重シール間空間部は、前記カソードセパレータの酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタック。