JP4862243B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池のスタックに関する。
特開平７−２４９４１７号公報に開示されているように、または、図５に示すように、燃料電池、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）２を一対のセパレータ３で挟んで単セル４を構成し、単セルを積層しセル積層方向に締結荷重をかけたスタック構造をもつ。
各セル４において、セル面内方向の中央部は、ＭＥＡに燃料ガス、酸化ガスが供給されて発電する発電領域５であり、発電領域のまわりは、燃料ガス、酸化ガス、冷却水をシールしている非発電領域６である。各セル４の非発電領域６では、一対のセパレータ２は硬質の樹脂フレーム７で電解質膜１を挟んだ定寸構造（ここで、「定寸構造」とは、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、接着剤層を介さずに、直接当たって荷重を受け持つとともに寸法を一義的に定めている構造をいう）となっている。定寸構造は、定寸構造に代わる、荷重を受ける疑似定寸構造（ここで、「疑似定寸構造」とは、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、薄く（５０μｍより小）、かつ、硬い（ヤング率Ｅが１００ＭＰａより大）接着剤層８を介して当たって荷重を受け持つとともに、寸法を一義的に定めている構造をいう）を含んでもよい。
各セル４において、セル面内方向の中央部は、ＭＥＡに燃料ガス、酸化ガスが供給されて発電する発電領域５であり、発電領域のまわりは、燃料ガス、酸化ガス、冷却水をシールしている非発電領域６である。各セル４の非発電領域６では、一対のセパレータ２は硬質の樹脂フレーム７で電解質膜１を挟んだ定寸構造（ここで、「定寸構造」とは、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、接着剤層を介さずに、直接当たって荷重を受け持つとともに寸法を一義的に定めている構造をいう）となっている。定寸構造は、定寸構造に代わる、荷重を受ける疑似定寸構造（ここで、「疑似定寸構造」とは、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、薄く（５０μｍより小）、かつ、硬い（ヤング率Ｅが１００ＭＰａより大）接着剤層８を介して当たって荷重を受け持つとともに、寸法を一義的に定めている構造をいう）を含んでもよい。
しかし、従来のスタックには、つぎの問題がある。
１）ＭＥＡにかかる荷重がばらつき、ＭＥＡの耐久性が低下する。
セパレータの定寸部、疑似定寸部、およびＭＥＡに、製造上、組付け上の寸法ばらつきがあるので、スタックに締結荷重をかけた時、ＭＥＡにかかる荷重が大きくばらつき、狙い値からずれる。ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きい側にずれると、ＭＥＡの耐久性が低下し、小さい側にずれると接触抵抗が増大して燃料電池の性能が低下する。
２）締結荷重を大きくとる必要がある。
ＭＥＡにかかる荷重がばらついても、発電領域で必要な接触面圧が得られるように、締結荷重を大きくとる必要がある。
３）締結荷重を大きくしたため、セパレータの割れや変形が生じるおそれがある。
余分な締結荷重をかけたことにより、カーボンセパレータの場合はセパレータの割れが発生するおそれがあり、メタルセパレータの場合はセパレータの変形が生じるおそれがある。
４）ＭＥＡ面圧の管理が難しい。
締結荷重がセパレータの定寸部、疑似定寸部、およびＭＥＡの寸法ばらつきで左右されるので、ＭＥＡにかかる荷重をスタック締結荷重でコントロールすることが難しい。
特開平７−２４９４１７号公報
１）ＭＥＡにかかる荷重がばらつき、ＭＥＡの耐久性が低下する。
セパレータの定寸部、疑似定寸部、およびＭＥＡに、製造上、組付け上の寸法ばらつきがあるので、スタックに締結荷重をかけた時、ＭＥＡにかかる荷重が大きくばらつき、狙い値からずれる。ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きい側にずれると、ＭＥＡの耐久性が低下し、小さい側にずれると接触抵抗が増大して燃料電池の性能が低下する。
２）締結荷重を大きくとる必要がある。
ＭＥＡにかかる荷重がばらついても、発電領域で必要な接触面圧が得られるように、締結荷重を大きくとる必要がある。
３）締結荷重を大きくしたため、セパレータの割れや変形が生じるおそれがある。
余分な締結荷重をかけたことにより、カーボンセパレータの場合はセパレータの割れが発生するおそれがあり、メタルセパレータの場合はセパレータの変形が生じるおそれがある。
４）ＭＥＡ面圧の管理が難しい。
締結荷重がセパレータの定寸部、疑似定寸部、およびＭＥＡの寸法ばらつきで左右されるので、ＭＥＡにかかる荷重をスタック締結荷重でコントロールすることが難しい。
本発明が解決しようとする問題点は、１）ＭＥＡの耐久性が安定しない、２）スタック締結荷重が大きい、３）セパレータの割れや変形が生じるおそれがある、４）ＭＥＡ面圧管理が難しい、等の問題である。
本発明の目的は、従来の燃料電池スタックに比べて、１）ＭＥＡの耐久性を安定化できる、２）スタック締結荷重を小さくできる、３）セパレータの割れや変形を抑制できる、４）ＭＥＡ面圧の管理を容易化できる、燃料電池スタックを提供することにある。
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ＭＥＡを一対のセパレータで挟んでセルを構成し、セルを積層してスタックを構成した燃料電池スタックであって、
セルは発電領域とその周りの非発電領域を有し、該非発電領域における、各セルのＭＥＡを挟む一対のセパレータ間、および前記ＭＥＡと前記一対のセパレータ間に、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、直接当たる定寸部、およびセパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、５０μｍより薄く１００ＭＰａより大きいヤング率の接着剤を介して当たる疑似定寸部を設けることなく、第１の接着剤層を設け、
隣り合うセル間に、ビードガスケットを設けることなく、第２の接着剤層を設け、
前記第１、第２の接着剤層に、ヤング率が５０ＭＰａ〜３０ＭＰａの接着剤を用い、
前記第１、第２の接着剤層は５０〜１５０μｍの厚みをもつ
燃料電池スタック。
（２） 各セルの前記非発電領域における前記第１の接着剤層を設けたスペースの厚さ方向の一部に硬質のスペーサを設け、前記接着剤層を設けたスペースの厚さ方向のスペーサ以外のスペース部分に接着剤層を設けた、（１）記載の燃料電池スタック。
（３） 複数の前記セルを積層して多セルモジュールを構成し、複数の該多セルモジュールを直列に配置して前記燃料電池スタックを構成した（１）記載の燃料電池スタック。
（４） 多セルモジュール間にビードガスケットを配置し、前記多セルモジュールの端部セルの前記ビードガスケットに接触するセパレータに平板を重ねて前記端部セルの前記ビードガスケットに接触するセパレータの面剛性を前記多セルモジュールの中央セルのセパレータの面剛性より大とした（３）記載の燃料電池スタック。
（１） ＭＥＡを一対のセパレータで挟んでセルを構成し、セルを積層してスタックを構成した燃料電池スタックであって、
セルは発電領域とその周りの非発電領域を有し、該非発電領域における、各セルのＭＥＡを挟む一対のセパレータ間、および前記ＭＥＡと前記一対のセパレータ間に、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、直接当たる定寸部、およびセパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、５０μｍより薄く１００ＭＰａより大きいヤング率の接着剤を介して当たる疑似定寸部を設けることなく、第１の接着剤層を設け、
隣り合うセル間に、ビードガスケットを設けることなく、第２の接着剤層を設け、
前記第１、第２の接着剤層に、ヤング率が５０ＭＰａ〜３０ＭＰａの接着剤を用い、
前記第１、第２の接着剤層は５０〜１５０μｍの厚みをもつ
燃料電池スタック。
（２） 各セルの前記非発電領域における前記第１の接着剤層を設けたスペースの厚さ方向の一部に硬質のスペーサを設け、前記接着剤層を設けたスペースの厚さ方向のスペーサ以外のスペース部分に接着剤層を設けた、（１）記載の燃料電池スタック。
（３） 複数の前記セルを積層して多セルモジュールを構成し、複数の該多セルモジュールを直列に配置して前記燃料電池スタックを構成した（１）記載の燃料電池スタック。
（４） 多セルモジュール間にビードガスケットを配置し、前記多セルモジュールの端部セルの前記ビードガスケットに接触するセパレータに平板を重ねて前記端部セルの前記ビードガスケットに接触するセパレータの面剛性を前記多セルモジュールの中央セルのセパレータの面剛性より大とした（３）記載の燃料電池スタック。
上記（１）の燃料電池スタックによれば、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ間に、定寸部、疑似定寸部を設けることなく、接着剤層を設けたので、
１）従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部の寸法ばらつきによるＭＥＡにかかる荷重のばらつきを無くすことができる。したがって、ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きくずれることがなくなり、ＭＥＡの耐久性が安定化する。
２）従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部の寸法ばらつきによるＭＥＡにかかる荷重のばらつきが無くなるため、ばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように、締結荷重を余分にとる必要がなくなり、その分スタック締結荷重を小さくすることができる。
３）余分な締結荷重をかけないで済むため、セパレータの割れや変形が生じにくい。
４）従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部を接着剤層に代えた構造となっているため、定寸部、疑似定寸部による荷重受けがなくなり、外部からかけられるスタック締結荷重の大部分が発電領域で受けられるようになり、ＭＥＡにかかる荷重を、外部からのスタック締結荷重でコントロールすることができるようになる。その結果、ＭＥＡ面圧の管理が容易になる。
１）従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部の寸法ばらつきによるＭＥＡにかかる荷重のばらつきを無くすことができる。したがって、ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きくずれることがなくなり、ＭＥＡの耐久性が安定化する。
２）従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部の寸法ばらつきによるＭＥＡにかかる荷重のばらつきが無くなるため、ばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように、締結荷重を余分にとる必要がなくなり、その分スタック締結荷重を小さくすることができる。
３）余分な締結荷重をかけないで済むため、セパレータの割れや変形が生じにくい。
４）従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部を接着剤層に代えた構造となっているため、定寸部、疑似定寸部による荷重受けがなくなり、外部からかけられるスタック締結荷重の大部分が発電領域で受けられるようになり、ＭＥＡにかかる荷重を、外部からのスタック締結荷重でコントロールすることができるようになる。その結果、ＭＥＡ面圧の管理が容易になる。
上記（１）の燃料電池スタックによれば、隣り合うセル間に、ビードガスケットを設けることなく、接着剤層を設けたので、スタック締結荷重が発電領域で受け持たれ、非発電領域で受け持たれない構造を、より一層確実にとることできる。
また、ビードガスケットに代えて接着剤層としたので、ビードガスケットのバックアップ構造をとる必要がなく、セパレータのビードガスケット背面側を上記（１）のように定寸部レス構造にしても問題が生じなくなる。
上記（１）〜（２）の燃料電池スタックとすることにより、非発電領域を荷重抜け構造（スタック締結荷重をほとんど受け持たない構造）とすることができる。
また、ビードガスケットに代えて接着剤層としたので、ビードガスケットのバックアップ構造をとる必要がなく、セパレータのビードガスケット背面側を上記（１）のように定寸部レス構造にしても問題が生じなくなる。
上記（１）〜（２）の燃料電池スタックとすることにより、非発電領域を荷重抜け構造（スタック締結荷重をほとんど受け持たない構造）とすることができる。
接着剤にて複数のセルをシール接着していくスタックでは、数百セルを１スタックにすると１つのセルに不良があった場合でもスタックの全セルが使用不可になるため、歩止まりが悪くなる。それを防止するために、数十セルを１モジュールとして多セルモジュールを構成し、それを直列に配置してスタックを構成したい場合がある。その場合は、多セルモジュール間は、分解可能に、接着構成とせず、ビードガスケットによるシール構成としたい。しかし、定寸部、疑似定寸部レス構成としているため、ビードガスケット背面のバックアップ構成が問題となる。上記（３）の燃料電池スタックはそれを解決するための発明である。
上記（３）の燃料電池スタックによれば、多セルモジュールの、ビードガスケットに接触する端部セルのセパレータの面剛性を多セルモジュールの中央セルのセパレータの面剛性より大としたので、ビードガスケットから押されても、端部セルのセパレータの割れや変形を防止することができる。
上記（３）の燃料電池スタックによれば、多セルモジュールの、ビードガスケットに接触する端部セルのセパレータの面剛性を多セルモジュールの中央セルのセパレータの面剛性より大としたので、ビードガスケットから押されても、端部セルのセパレータの割れや変形を防止することができる。
上記（４）の燃料電池スタックは、端部セルのセパレータの剛性を上げる具体的構造を提供するものである。
上記（４）の燃料電池スタックによれば、端部セルのセパレータに１枚板を重ねるだけであるから、他の構造を変更することなく、セパレータの剛性アップを達成できる。
上記（４）の燃料電池スタックによれば、端部セルのセパレータに１枚板を重ねるだけであるから、他の構造を変更することなく、セパレータの剛性アップを達成できる。
以下に、本発明の燃料電池スタックを、図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の実施例１を示し、図２は本発明の実施例２を示す。図３、図４は本発明の実施例１、２の何れにも適用可能である。本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例１〜３に共通する、または類似する部分を、たとえば、図１、図３、図４を参照して説明する。
本発明のスタックが適用される燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層の方向は、上下、または水平に限るものではなく、任意である。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１５、１６が設けられる。
本発明のスタックが適用される燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層の方向は、上下、または水平に限るものではなく、任意である。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１５、１６が設けられる。
ＭＥＡをセパレータ１８で挟んで単セル１９を構成し、複数のセル１９を積層しセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる外側部材２４と、ボルト・ナット２５にて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または導電製樹脂セパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、またはこれらの組合せ、の何れであってもよい。
セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。
セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。
セパレータ１８には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が貫通している。各種（冷媒、燃料ガス、酸化ガス）流体供給配管からそれぞれのマニホールド２９、３０、３１に各種流体が供給され、それぞれのマニホールド２９、３０、３１の入り側からセルの流路２６、２７、２８に流体が流入し、セルの流路２６、２７、２８から流体がそれぞれのマニホールド２９、３０、３１の出側に流出し、各種流体排出配管から出ていく。
セル１９は、発電領域３５とその周りの非発電領域３６を有する。反応ガス流路２７、２８と、その裏面の冷媒流路２６は、発電領域３５に形成されており、マニホールド２９、３０、３１は非発電領域３６に形成されている。各種の流体が混じり合うことを防止するために、セル１９のセパレータ１８間、および隣り合うセル１９のセパレータ間は、シールされている。
各セル１９のＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８間には、定寸部、疑似定寸部を設けることなく、接着剤層３３（３３ａ）が設けられている。この構造では、セパレータ１８と電解質膜１１との間、セル１９の一対のセパレータ１８同士の間には、必ず、接着剤層３３が存在する。したがって、非発電領域において、セル１９の一対のセパレータ１８同士が、直接当たることがなく、また、非発電領域において、セパレータ１８が電解質膜１１に直接接触して電解質膜１１を直接挟持することはない。
隣り合うセル１９間には、非発電領域において、ビードガスケットを設けることなく、接着剤層３３（３３ｂ）が設けられている。
隣り合うセル１９間には、非発電領域において、ビードガスケットを設けることなく、接着剤層３３（３３ｂ）が設けられている。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）は、１００ＭＰａ以下のヤング率をもち、従来の接着剤層（従来の接着剤層のヤング率は１００ＭＰａより大）に比べて軟質な樹脂接着剤層である。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）のヤング率は、より好ましくは、５０ＭＰａ〜３０ＭＰａである。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）は５０〜１５０μｍの厚みをもち、従来の接着剤層（従来の接着剤層の厚みは５０μｍより小）に比べて、厚みが大である。接着剤層３３は硬質のビーズを含んでいてもよいが、ビーズの径は接着剤層３３の厚み以下とする。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）のヤング率は、より好ましくは、５０ＭＰａ〜３０ＭＰａである。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）は５０〜１５０μｍの厚みをもち、従来の接着剤層（従来の接着剤層の厚みは５０μｍより小）に比べて、厚みが大である。接着剤層３３は硬質のビーズを含んでいてもよいが、ビーズの径は接着剤層３３の厚み以下とする。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）には、接着剤量を低減するために、硬質（たとえば、樹脂製）のスペーサ３４が挿入されていてもよい。図１の例は、単セル１９の一対のセパレータ１８間に、スペーサ３４（スペーサ３４の厚みは図５の樹脂フレーム７の厚さより薄い）が挿入された場合を示しているが、隣り合うセル１９のセパレータ１８間にもスペーサを挿入してもよい。
スペーサ３４が挿入される場合であっても、接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）には、接着剤層３３が１００ＭＰａ以下のヤング率をもつ厚みが残されている。接着剤層３３の厚みが薄すぎると、弾性層としての働きを喪失するおそれがあるので、接着剤層３３が１００ＭＰａ以下のヤング率をもつ厚みが残るようにする。
単セル１９の一対のセパレータ１８間に、スペーサ３４が挿入された場合に接着剤層３３が複数存在する場合には、それらの複数の接着剤層３３の合計の厚みを接着剤層３３の厚みとする。図１では、一対のセパレータ１８間に２枚のスペーサ３４が挿入されて、一対のセパレータ１８間の接着剤層３３が３層あるが、この３層の合計の厚さが、この３層の合計からなる接着剤層３３に１００ＭＰａ以下のヤング率を与えるように設定されればよい。
スペーサ３４が挿入される場合であっても、接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）には、接着剤層３３が１００ＭＰａ以下のヤング率をもつ厚みが残されている。接着剤層３３の厚みが薄すぎると、弾性層としての働きを喪失するおそれがあるので、接着剤層３３が１００ＭＰａ以下のヤング率をもつ厚みが残るようにする。
単セル１９の一対のセパレータ１８間に、スペーサ３４が挿入された場合に接着剤層３３が複数存在する場合には、それらの複数の接着剤層３３の合計の厚みを接着剤層３３の厚みとする。図１では、一対のセパレータ１８間に２枚のスペーサ３４が挿入されて、一対のセパレータ１８間の接着剤層３３が３層あるが、この３層の合計の厚さが、この３層の合計からなる接着剤層３３に１００ＭＰａ以下のヤング率を与えるように設定されればよい。
図４に示すように、スタック２３は、セル１９を複数（数セル〜数十セル、たとえば２０セル）重ねて１つの多セルモジュール４０を構成し、該多セルモジュール４０をセル積層方向に、複数（たとえば、１０個）直列に配列し、多セルモジュール４０間をビードガスケット３２にてシールしたスタックとしてもよい。２０セルからなる多セルモジュール４０を１０個直列に並べると、２００セルのスタック２３が得られるといった具合である。
スタック２３が多セルモジュール４０を有する場合、燃料電池スタック２３は、セル積層方向に直列に配置された複数の多セルモジュール４０と、外側部材２４とを有する。
各多セルモジュール４０は、複数のセルを積層した多セル集合体４１と、多セル集合体４１を囲み多セル集合体４１のセル積層方向に延びる第１の壁４３を備えたモジュール枠４２とを有する。
外側部材２４は、複数の多セルモジュール４０の外側で、全多セルモジュール４０にわたってセル積層方向に延びている。
各多セルモジュール４０では、セル１９のセル積層方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール４０の多セル集合体４１は該各多セルモジュール４０のモジュール枠４２によってセル積層方向に拘束されていない。
各多セルモジュール４０は、複数のセルを積層した多セル集合体４１と、多セル集合体４１を囲み多セル集合体４１のセル積層方向に延びる第１の壁４３を備えたモジュール枠４２とを有する。
外側部材２４は、複数の多セルモジュール４０の外側で、全多セルモジュール４０にわたってセル積層方向に延びている。
各多セルモジュール４０では、セル１９のセル積層方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール４０の多セル集合体４１は該各多セルモジュール４０のモジュール枠４２によってセル積層方向に拘束されていない。
各多セルモジュール４０では、セル１９のセル積層方向と直交する方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール４０の多セル集合体４１の外面と該各多セルモジュール４０のモジュール枠４２の第１の壁４３の内面との間に、空間が形成されているか、または変形可能な接着材４５が設けられている。
複数の多セルモジュール４０の各多セルモジュール４０のモジュール枠４２の第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との間に、外部拘束部材４６が設けられている。外部拘束部材４６は、第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収することができるように、変形可能な材料から構成されることが望ましい。そのような材料として、樹脂や、ガラス混入エポキシ材がある。ただし、外部拘束部材４６の材料は、樹脂や、ガラス混入エポキシ材に限るものではない。
第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との間に外部拘束部材４６を配置したため、車両衝突時などに多セルモジュール４０にかかる慣性力を外部拘束部材４６を介して外側部材２４で受けることができる。ただし、外部拘束部材４６を変形可能な材料とすることにより、第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収できるようにしてある。
第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との間に外部拘束部材４６を配置したため、車両衝突時などに多セルモジュール４０にかかる慣性力を外部拘束部材４６を介して外側部材２４で受けることができる。ただし、外部拘束部材４６を変形可能な材料とすることにより、第１の壁４３の外面と外側部材２４の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収できるようにしてある。
セル積層方向に直列に配置された複数の多セルモジュール４０に対して、セル積層方向に直列に、スプリングボックス４７が配置されており、複数の多セルモジュールの各多セルモジュール４０に、セル積層方向に、スプリングボックス４７からのばね力（定荷重）がかけられている。スプリングボックス４７は、互いに並列に配置された複数のばね４８を有している。スプリングボックス４７は、スタック２３の各種流体の供給、排出管が接続されない方の端部に設けられており、インシュレータ２１とエンドプレート２２との間に配置されている。そのばね力はスプリングボックス４７とエンドプレート２２との間に設けられた調整ねじ４９によって調整可能である。
つぎに、本発明の実施例１、２に共通な部分の作用、効果を説明する。
本発明の燃料電池スタックでは、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８間に、定寸部、疑似定寸部を設けることなく、接着剤層３３（３３ａ）を設けたので、従来の燃料電池スタックの定寸部（図５の７）、疑似定寸部（図５の８）、ＭＥＡの，製造誤差などによって生じる寸法ばらつきによる、ＭＥＡにかかる荷重のばらつきを無くすことができる。したがって、ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きくずれることがなくなり、狙い値から大きい側にずれた場合に生じるＭＥＡの耐久性の低下がなく、ＭＥＡの耐久性が安定化する。また、狙い値から小さい側にずれると燃料電池性能が低下するが、ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きくずれることがなくなるため、燃料電池の性能低下も生じにくい。
たとえば、接触抵抗を低減するために必要な、ＭＥＡにかける締結荷重が２トンとし、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける場合、ＭＥＡの耐久性が２トンの場合に比べて急激に低下するが、定寸部、疑似定寸部廃止によって、ＭＥＡにかかる荷重のばらつきを無くすことができるため、ＭＥＡにかける締結荷重を２トンとすることができ、ＭＥＡの耐久性を上げることができる。
本発明の燃料電池スタックでは、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８間に、定寸部、疑似定寸部を設けることなく、接着剤層３３（３３ａ）を設けたので、従来の燃料電池スタックの定寸部（図５の７）、疑似定寸部（図５の８）、ＭＥＡの，製造誤差などによって生じる寸法ばらつきによる、ＭＥＡにかかる荷重のばらつきを無くすことができる。したがって、ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きくずれることがなくなり、狙い値から大きい側にずれた場合に生じるＭＥＡの耐久性の低下がなく、ＭＥＡの耐久性が安定化する。また、狙い値から小さい側にずれると燃料電池性能が低下するが、ＭＥＡにかかる荷重が狙い値から大きくずれることがなくなるため、燃料電池の性能低下も生じにくい。
たとえば、接触抵抗を低減するために必要な、ＭＥＡにかける締結荷重が２トンとし、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける場合、ＭＥＡの耐久性が２トンの場合に比べて急激に低下するが、定寸部、疑似定寸部廃止によって、ＭＥＡにかかる荷重のばらつきを無くすことができるため、ＭＥＡにかける締結荷重を２トンとすることができ、ＭＥＡの耐久性を上げることができる。
また、従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部の寸法ばらつきによるＭＥＡにかかる荷重のばらつきが無くなるため、ばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分にとる必要がなくなり（従来は余分にとっていた）、その分、本発明では、スタック締結荷重を小さくすることができる。
たとえば、ＭＥＡの必要な接触面圧を得るのに締結荷重が２トン必要である場合に、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける必要があったが、本発明ではＭＥＡの必要な接触面圧を得る荷重の２トン＋α（αが、たとえば０．２トン）をかければよく、従来４トンかけていた荷重を２．２トンに減らすことができるといった具合である。
たとえば、ＭＥＡの必要な接触面圧を得るのに締結荷重が２トン必要である場合に、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける必要があったが、本発明ではＭＥＡの必要な接触面圧を得る荷重の２トン＋α（αが、たとえば０．２トン）をかければよく、従来４トンかけていた荷重を２．２トンに減らすことができるといった具合である。
また、余分な締結荷重をかけないで済むため、セパレータの割れや変形が生じにくい。たとえば、ＭＥＡの必要な接触面圧を得るのに締結荷重が２トン必要である場合に、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける場合、余分の２トンは非発電領域にかかり、セパレータの割れや変形が生じるおそれがあった。しかし、本発明では、ＭＥＡの必要な接触面圧を得る荷重の２トン＋α（αが、たとえば０．２トン）をかければよく、その場合、αの０．２トンが非発電領域にかかるが、従来の２トンに比べて大幅に減少するので、セパレータの割れや変形が生じにくい。
本発明では、従来の燃料電池スタックの定寸部、疑似定寸部を接着剤層３３ａに代えた構造となっているため、従来の定寸部、疑似定寸部による荷重受けがなくなり、外部からかけられるスタック締結荷重の大部分が発電領域のＭＥＡで受けられるようになり、ＭＥＡにかかる荷重を、外部からのスタック締結荷重でコントロールすることができるようになる。その結果、ＭＥＡ面圧の管理が容易になる。
たとえば、ＭＥＡの必要な接触面圧を得るのに締結荷重が２トン必要である場合に、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける場合、実際にＭＥＡにかかる荷重は測定してみないとわからないが、本発明では、従来の定寸部、疑似定寸部による荷重受けがないため、外部からかけられるスタック締結荷重の２トンの大部分が発電領域のＭＥＡで受けられるようになり、外部からのスタック締結荷重の２トンでＭＥＡにかかる荷重をコントロールすることができるようになる。従来の定寸部、疑似定寸部による荷重受けがないため、ＭＥＡにかかる荷重はほとんどばらつかないので、ＭＥＡ面圧の管理が容易であり、外部からのスタック締結荷重を２トンに制御すればよい。スプリングボックス４７からのばね力は一定であるため、ＭＥＡ面圧はほぼ一定になる。これに対し、従来の定寸部、疑似定寸部をもつスタックに一定のスタック締結荷重をかけても、ＭＥＡにかかる荷重は、定寸部、疑似定寸部、ＭＥＡの寸法ばらつきによって、大きくばらつく。
たとえば、ＭＥＡの必要な接触面圧を得るのに締結荷重が２トン必要である場合に、荷重がばらついても必要な荷重がＭＥＡにかけられるように締結荷重を余分に２トンかけ、合計４トンかける場合、実際にＭＥＡにかかる荷重は測定してみないとわからないが、本発明では、従来の定寸部、疑似定寸部による荷重受けがないため、外部からかけられるスタック締結荷重の２トンの大部分が発電領域のＭＥＡで受けられるようになり、外部からのスタック締結荷重の２トンでＭＥＡにかかる荷重をコントロールすることができるようになる。従来の定寸部、疑似定寸部による荷重受けがないため、ＭＥＡにかかる荷重はほとんどばらつかないので、ＭＥＡ面圧の管理が容易であり、外部からのスタック締結荷重を２トンに制御すればよい。スプリングボックス４７からのばね力は一定であるため、ＭＥＡ面圧はほぼ一定になる。これに対し、従来の定寸部、疑似定寸部をもつスタックに一定のスタック締結荷重をかけても、ＭＥＡにかかる荷重は、定寸部、疑似定寸部、ＭＥＡの寸法ばらつきによって、大きくばらつく。
また、隣り合うセル１９間に、ビードガスケットを設けることなく、接着剤層３３（３３ｂ）を設けたので、スタック締結荷重が発電領域３５で受け持たれ、非発電領域３６で受け持たれない（非発電領域３６での荷重抜け）構造を、より一層確実にとることできる。
また、ビードガスケットに代えて接着剤層としたので、セパレータ１８のビードガスケットの背面側に、ビードガスケットのバックアップ構造としての定寸、疑似定寸構造をとる必要がなく、セパレータ１８のビードガスケット背面側を定寸部レス構造にしても問題が生じなくなる。ビードガスケットがある場合は定寸部レス構造をとることができず、従来燃料電池のように、定寸、疑似定寸構造をとらざるを得ない。
また、ビードガスケットに代えて接着剤層としたので、セパレータ１８のビードガスケットの背面側に、ビードガスケットのバックアップ構造としての定寸、疑似定寸構造をとる必要がなく、セパレータ１８のビードガスケット背面側を定寸部レス構造にしても問題が生じなくなる。ビードガスケットがある場合は定寸部レス構造をとることができず、従来燃料電池のように、定寸、疑似定寸構造をとらざるを得ない。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）が、１００ＭＰａ以下のヤング率をもつように構成したために、セパレータ１８のビードガスケット背面側を定寸部レス構造とみなせるようになる、すなわち、従来燃料電池の接着剤層に比べて柔構造の、荷重抜け構造をとることができるようになる。接着剤層３３のヤング率は、より好ましくは、５０ＭＰａ〜３０ＭＰａである。
また、接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）が５０〜１５０μｍの厚みをもつように構成したために、セパレータ１８のビードガスケット背面側を定寸部レス構造とみなせるようになる。接着剤層３３の厚みは、より好ましくは、９０〜１１０μｍである。
また、接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）が５０〜１５０μｍの厚みをもつように構成したために、セパレータ１８のビードガスケット背面側を定寸部レス構造とみなせるようになる。接着剤層３３の厚みは、より好ましくは、９０〜１１０μｍである。
接着剤層３３（３３ａ、３３ｂ）に硬質のスペーサ３４が挿入されていても、接着剤層３３には、接着剤層が１００ＭＰａ以下のヤング率をもつ厚みが残されているので、スペーサ３４が挿入されていても、定寸部レス構造が確保できる。
これらの条件の何れか少なくとも１つをとることにより、非発電領域３６を荷重抜け構造（スタック締結荷重をほとんど受け持たない構造）とすることができる。
これらの条件の何れか少なくとも１つをとることにより、非発電領域３６を荷重抜け構造（スタック締結荷重をほとんど受け持たない構造）とすることができる。
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成、作用、効果を説明する。ただし、上記の全実施例に共通する部分の説明と一部重複する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１に示すように、
イ）定寸部が無い。
ロ）定寸部に代わる荷重を受ける疑似定寸部が無い。
ハ）ビードガスケットが無い。
ニ）セパレータ１８の非発電領域３６で、ＭＥＡに接する側の面、冷却水に接する側の面共に、接着剤層３３による接着構造である。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１に示すように、
イ）定寸部が無い。
ロ）定寸部に代わる荷重を受ける疑似定寸部が無い。
ハ）ビードガスケットが無い。
ニ）セパレータ１８の非発電領域３６で、ＭＥＡに接する側の面、冷却水に接する側の面共に、接着剤層３３による接着構造である。
実施例１の作用、効果は次の通りである。
ａ）定寸部、ビードガスケットが無いため、スタック締結荷重が低減できる。
ｂ）締結荷重は、ＭＥＡの接触抵抗低減から必要なだけの荷重＋α（αは小）を与えるだけでよい。その結果、ＭＥＡ面圧管理が締結荷重で行える。
ｃ）余分な、定寸部への荷重が抑えられることから、セパレータの割れや変形が発生しにくい。
ａ）定寸部、ビードガスケットが無いため、スタック締結荷重が低減できる。
ｂ）締結荷重は、ＭＥＡの接触抵抗低減から必要なだけの荷重＋α（αは小）を与えるだけでよい。その結果、ＭＥＡ面圧管理が締結荷重で行える。
ｃ）余分な、定寸部への荷重が抑えられることから、セパレータの割れや変形が発生しにくい。
〔実施例２〕
本発明の実施例１のセル接着構造で１スタック全体を作製するのは歩留り上難しいので、図４に示すように、数セル（たとえば、５セル以上）〜数十セルを１多セルモジュール４０として、複数の多セルモジュール４０を直列配置してスタック２３を構成したい場合がある。その場合は、多セルモジュール４０を接着したくないので、多セルモジュール４０間は、ビードガスケット３２によりシールする。しかし、定寸部、疑似定寸部レス構成としているため、ビードガスケット背面のバックアップ構成が問題となる。
それを解決するための発明が実施例２である。
本発明の実施例２では、多セルモジュール４０の、ビードガスケット３２に接触する端部セルのセパレータ１８の面剛性を多セルモジュール４０の中央セルのセパレータ１８の面剛性より大とする。
この場合、端部セルのセパレータ１８に１枚、板１８Ａ（ダミーセパレータ、端部構造部材とも呼ぶ、板１８Ａはたとえば平板からなり、マニホールド２９、３９、３１の穴はもつ）を重ね、この板１８Ａの厚さをセパレータ１８の厚さより大として剛性アップをはかる。
板１８Ａを重ねる場合は、板１８Ａとそれが接触する端部セルセパレータ１８とは非発電領域３６にて、シール接着されるが、この接着剤は、接着剤層３３を構成する接着剤と同じものでよい。
本発明の実施例１のセル接着構造で１スタック全体を作製するのは歩留り上難しいので、図４に示すように、数セル（たとえば、５セル以上）〜数十セルを１多セルモジュール４０として、複数の多セルモジュール４０を直列配置してスタック２３を構成したい場合がある。その場合は、多セルモジュール４０を接着したくないので、多セルモジュール４０間は、ビードガスケット３２によりシールする。しかし、定寸部、疑似定寸部レス構成としているため、ビードガスケット背面のバックアップ構成が問題となる。
それを解決するための発明が実施例２である。
本発明の実施例２では、多セルモジュール４０の、ビードガスケット３２に接触する端部セルのセパレータ１８の面剛性を多セルモジュール４０の中央セルのセパレータ１８の面剛性より大とする。
この場合、端部セルのセパレータ１８に１枚、板１８Ａ（ダミーセパレータ、端部構造部材とも呼ぶ、板１８Ａはたとえば平板からなり、マニホールド２９、３９、３１の穴はもつ）を重ね、この板１８Ａの厚さをセパレータ１８の厚さより大として剛性アップをはかる。
板１８Ａを重ねる場合は、板１８Ａとそれが接触する端部セルセパレータ１８とは非発電領域３６にて、シール接着されるが、この接着剤は、接着剤層３３を構成する接着剤と同じものでよい。
実施例２の作用、効果は次の通りである。
ａ）数百セルモジュール接着による１スタックでは、歩留りが悪化するが、数十セルの多 セルモジュールの直列配置スタックとすることにより、歩留りがよくなる。
ｂ）多セルモジュール間のシールは、端部セルセパレータの剛性アップ、たとえば板１８Ａによる剛性アップにより、ビードガスケット３２を使用することができる。
ａ）数百セルモジュール接着による１スタックでは、歩留りが悪化するが、数十セルの多 セルモジュールの直列配置スタックとすることにより、歩留りがよくなる。
ｂ）多セルモジュール間のシールは、端部セルセパレータの剛性アップ、たとえば板１８Ａによる剛性アップにより、ビードガスケット３２を使用することができる。
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 板
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ ビードガスケット
３３ 接着剤層
３３ａ 一体のセパレータ間の接着剤層
３３ｂ セル間の接着剤層
３４ スペーサ
３５ 発電領域
３６ 非発電領域
４０ 多セルモジュール
４１ 多セル集合体（マルチセル集合体）
４２ モジュール枠
４３ 第１の壁
４５ 接着材
４６ 外部拘束部材
４７ スプリングボックス
４８ スプリング
４９ 調整ねじ
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 板
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ ビードガスケット
３３ 接着剤層
３３ａ 一体のセパレータ間の接着剤層
３３ｂ セル間の接着剤層
３４ スペーサ
３５ 発電領域
３６ 非発電領域
４０ 多セルモジュール
４１ 多セル集合体（マルチセル集合体）
４２ モジュール枠
４３ 第１の壁
４５ 接着材
４６ 外部拘束部材
４７ スプリングボックス
４８ スプリング
４９ 調整ねじ
Claims (4)
- ＭＥＡを一対のセパレータで挟んでセルを構成し、セルを積層してスタックを構成した燃料電池スタックであって、
セルは発電領域とその周りの非発電領域を有し、該非発電領域における、各セルのＭＥＡを挟む一対のセパレータ間、および前記ＭＥＡと前記一対のセパレータ間に、セパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、直接当たる定寸部、およびセパレータとセパレータとが、またはセパレータと電解質膜とが、５０μｍより薄く１００ＭＰａより大きいヤング率の接着剤を介して当たる疑似定寸部を設けることなく、第１の接着剤層を設け、
隣り合うセル間に、ビードガスケットを設けることなく、第２の接着剤層を設け、
前記第１、第２の接着剤層に、ヤング率が５０ＭＰａ〜３０ＭＰａの接着剤を用い、
前記第１、第２の接着剤層は５０〜１５０μｍの厚みをもつ
燃料電池スタック。 - 各セルの前記非発電領域における前記第１の接着剤層を設けたスペースの厚さ方向の一部に硬質のスペーサを設け、前記接着剤層を設けたスペースの厚さ方向のスペーサ以外のスペース部分に接着剤層を設けた、請求項１記載の燃料電池スタック。
- 複数の前記セルを積層して多セルモジュールを構成し、複数の該多セルモジュールを直列に配置して前記燃料電池スタックを構成した請求項１記載の燃料電池スタック。
- 多セルモジュール間にビードガスケットを配置し、前記多セルモジュールの端部セルの前記ビードガスケットに接触するセパレータに平板を重ねて前記端部セルの前記ビードガスケットに接触するセパレータの面剛性を前記多セルモジュールの中央セルのセパレータの面剛性より大とした請求項３記載の燃料電池スタック。
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