JP5349184B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池スタックに関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（流体）を流すための燃料ガス流路（流体流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス（流体）を流すための酸化剤ガス流路（流体流路）とが設けられている。さらに、セパレータの周縁部には、前記セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する流体連通孔である燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。
また、セパレータ間には、電解質膜・電極構造体を冷却するための冷却媒体流路（流体流路）が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する流体連通孔である冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成されている。すなわち、内部マニホールド型燃料電池を構成している。
その際、流体流路と流体連通孔とは、流体を円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路（連結ブリッジ部）を介して連通している。ところが、セパレータと電解質・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入してしまい、所望のシール性を維持することができず、しかも流体が良好に流れないという問題がある。
そこで、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図１３に示すように、セパレータ１の面内に蛇行する反応ガス、例えば、酸化剤ガス流路２が形成されている。この酸化剤ガス流路２は、セパレータ１の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔３と酸化剤ガス排出用貫通孔４とに連通している。セパレータ１にはパッキン５が配置されており、このセパレータ１の面内で貫通孔３、４と酸化剤ガス流路２とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。
貫通孔３、４と酸化剤ガス流路２とを連通する連結流路６ａ、６ｂには、この連結流路６ａ、６ｂを覆ってＳＵＳ板７が配置されている。ＳＵＳ板７は長方形状に構成されており、それぞれ２箇所に耳部７ａ、７ｂが設けられるとともに、各耳部７ａ、７ｂは、セパレータ１に形成された段差部８に嵌合している。
このように、特許文献１では、ＳＵＳ板７が連結流路６ａ、６ｂを覆っているために、高分子膜（図示せず）及びパッキン５が酸化剤ガス流路２に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。
上記の特許文献１において、セパレータ１の面にゴムブリッジ（ゴム製流路部材）を介して連結流路６ａ、６ｂを形成する場合がある。しかしながら、シールの荷重変動やゴムの耐久劣化等に起因するゴムブリッジの変形により、連結流路６ａ、６ｂが閉塞されるおそれがある。このため、酸化剤ガス等の供給不良が惹起し、燃料電池の出力性能が低下するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つ簡単な構成で、連結ブリッジ部の潰れによる流路の閉塞を可及的に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池スタックに関するものである。
そして、金属セパレータには、流体流路と流体連通孔との間を連通する連結ブリッジ部が設けられるとともに、前記連結ブリッジ部は、前記金属セパレータに一体に設けられる樹脂製通路部材を有し、複数の前記樹脂製通路部材は、前記金属セパレータ上に樹脂製連結部を介して連続的に成形されている。
また、金属セパレータと樹脂製通路部材との間には、ゴム製被覆部材が介装されることが好ましい。
また、樹脂製通路部材は、金属セパレータに設けられた開口部を介して前記金属セパレータの両面に一体成形されることが好ましい。
さらに、金属セパレータには、シール部材が一体成形されるとともに、樹脂製通路部材と前記シール部材とは、積層方向に互いの一部を重ね合わせて成形されることが好ましい。
本発明によれば、連結ブリッジ部が樹脂製通路部材を有するため、ゴムブリッジ部に比べて耐久劣化による寸法変化を良好に抑制することができる。従って、経済的且つ簡単な構成で、連結ブリッジ部の潰れによる流路の閉塞を可及的に阻止することが可能になり、流体の円滑な流通を確保して所望の出力性能を確実に維持することができる。
図１及び図２に示すように、本発明に関連する燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。
燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４が、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８に挟持される。第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成されるとともに、後述する流路を形成するために波板形状にプレス加工されている。
図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路（流体流路）２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備えている。酸化剤ガス流路２６と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとは、連結ブリッジ部２８ａ、２８ｂを介して連通する。第１金属セパレータ１６の面１６ｂには、酸化剤ガス流路２６の裏面形状である冷却媒体流路２９の一部が形成される。
第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して、第１シール部材（ゴム製シール部材）３０が射出成形等により一体成形される。第１シール部材３０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
連結ブリッジ部２８ａは、図３及び図４に示すように、面１６ａ上に互いに離間して矢印Ｃ方向に断続的に配列される複数の樹脂製通路部材３２ａを有し、前記樹脂製通路部材３２ａ間に通路３３ａが形成される。樹脂製通路部材３２ａは、第１金属セパレータ１６の面１６ａに、例えば、インサート成形等により一体成形される他、別体に成形された後に前記面１６ａに貼り付けることにより一体に設けることもできる。
樹脂製通路部材３２ａは、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル）又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等で構成される。
連結ブリッジ部２８ｂは、上記の連結ブリッジ部２８ａと同様に、複数の樹脂製通路部材３２ｂを有するとともに、前記樹脂製通路部材３２ｂ間に通路３３ｂが形成されており、その詳細な説明は省略する（図３参照）。
図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路（流体流路）３４が形成される。燃料ガス流路３４は、複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路３４と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとは、連結ブリッジ部３６ａ、３６ｂを介して連通する。第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、燃料ガス流路３４の裏面形状である冷却媒体流路２９の一部が形成される。
第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材（ゴム製シール部材）３８が射出成形等により一体成形される。第２シール部材３８は、第１シール部材３０と同一に構成される。
連結ブリッジ部３６ａは、図５に示すように、矢印Ｃ方向に配列される複数の樹脂製通路部材４０ａを有し、前記樹脂製通路部材４０ａ間に通路４２ａが形成される。連結ブリッジ部３６ｂは、同様に複数の樹脂製通路部材４０ｂを有するとともに、前記樹脂製通路部材４０ｂ間に通路４２ｂが形成されており、その詳細な説明は省略する。
図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路（流体流路）２９が形成される。冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍に位置して、連結ブリッジ部４４ａ、４４ｂが形成される。連結ブリッジ部４４ａ、４４ｂは、矢印Ｃ方向に配列される複数の樹脂製通路部材４６ａ、４６ｂを有し、前記樹脂製通路部材４６ａ、４６ｂ間に通路４８ａ、４８ｂが形成される。
図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５０と、前記固体高分子電解質膜５０を挟持するアノード側電極５２及びカソード側電極５４とを備える。
アノード側電極５２及びカソード側電極５４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜５０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜５０の両面に形成されている。
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
このため、燃料ガスは、図５に示すように、第２金属セパレータ１８の燃料ガス入口連通孔２４ａから連結ブリッジ部３６ａを通った後、燃料ガス流路３４に導入される。燃料ガス流路３４では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極５２に供給される。
一方、酸化剤ガスは、図２〜図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属セパレータ１６に連結ブリッジ部２８ａを通って酸化剤ガス流路２６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極５４に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、アノード側電極５２に供給されて消費された燃料ガスは、連結ブリッジ部３６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される（図５参照）。同様に、カソード側電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、連結ブリッジ部２８ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図３参照）。
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、連結ブリッジ部４４ａを通って第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路２９に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、連結ブリッジ部４４ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
この場合、図２〜図４に示すように、第１金属セパレータ１６に設けられる連結ブリッジ部２８ａは、矢印Ｃ方向に配列される複数の樹脂製通路部材３２ａを有し、前記樹脂製通路部材３２ａ間に通路３３ａが形成されている。
このため、連結ブリッジ部２８ａは、通常のゴムブリッジ部に比べて耐久劣化による寸法変化を良好に抑制することができる。しかも、燃料電池１２に積層荷重により圧縮変形し難い。従って、経済的且つ簡単な構成で、連結ブリッジ部２８ａの潰れによる通路３３ａの閉塞を可及的に阻止することが可能になり、燃料電池１２は、酸化剤ガスの円滑な流通を確保して所望の出力性能を確実に維持することができるという効果が得られる。
なお、他の連結ブリッジ部２８ｂ、３６ａ、３６ｂ、４４ａ及び４４ｂにおいても同様に、燃料ガス及び冷却媒体の円滑な流通を確保することが可能になる。また、以下に説明する第１の実施形態以降においても、同様である。
図６に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータ６０は、連結ブリッジ部６２ａを設ける。連結ブリッジ部６２ａは、第１金属セパレータ６０の面６０ａ上に樹脂製連結部６４ａを介して矢印Ｃ方向に連続的に配列される複数の樹脂製通路部材６６ａを有し、前記樹脂製通路部材６６ａ間に通路６８ａが形成される。
このように構成される第１の実施形態では、特に連結ブリッジ部６２ａと第１金属セパレータ６０との間に隙間が発生することがない。これにより、第１金属セパレータ６０の電位差腐食を可及的に阻止することが可能になる他、上記と同様の効果が得られる。しかも、複数の樹脂製通路部材６６ａは、樹脂製連結部６４ａを介して一体に構成されるため、製造が容易になるとともに、第１金属セパレータ６０から脱落することを可及的に阻止することができる。
図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータ７０は、連結ブリッジ部７２ａを設ける。連結ブリッジ部７２ａは、第１金属セパレータ７０の面７０ａ上に設けられるとともに、両側の樹脂製連結部７４ａ、７４ａの間に矢印Ｃ方向に連続的に配列される複数の樹脂製通路部材７６ａを有する。樹脂製通路部材７６ａ間には、通路７８ａが形成される。
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、通路７８ａが閉塞することを可及的に阻止することができる。
図８に示すように、本発明に関連する燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータ８０は、連結ブリッジ部２８ａを設ける。第１金属セパレータ８０と連結ブリッジ部２８ａを構成する樹脂製通路部材３２ａとの間には、被覆部材、例えば、ゴム被覆成形部８２が介装される。
ゴム被覆成形部８２は、第１シール部材３０と一体に、又は別体に第１金属セパレータ８０の面８０ａに成形される。ゴム被覆成形部８２は、ゴム製フイルムで構成してもよい。
図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータ９０は、第１の実施形態の連結ブリッジ部６２ａを設ける。第１金属セパレータ９０と連結ブリッジ部６２ａを構成する樹脂製連結部６４ａとの間には、被覆部材、例えば、ゴム被覆成形部９２が介装される。ゴム被覆成形部９２は、第１シール部材３０と一体に、又は別体に第１金属セパレータ９０の面９０ａに成形される。
図１０に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータ１００は、第２の実施形態の連結ブリッジ部７２ａを設ける。第１金属セパレータ１００と連結ブリッジ部７２ａを構成する樹脂製連結部７４ａとの間には、被覆部材、例えば、ゴム被覆成形部１０２が介装される。ゴム被覆成形部１０２は、第１シール部材３０と一体に、又は別体に第１金属セパレータ１００の面１００ａに成形される。
このように構成される第３及び第４の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、ゴム被覆成形部８２、９２及び１０２により、金属の電位差腐食を良好に防止するとともに、金属イオンの溶出を阻止することができる。
図１１に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１１０を構成する燃料電池１１２は、電解質膜・電極構造体１４が、第１金属セパレータ１１４及び第２金属セパレータ１８に挟持される。
図１１及び図１２に示すように、第１金属セパレータ１１４には、連結ブリッジ部１１６ａが設けられるとともに、前記連結ブリッジ部１１６ａは、樹脂製通路部材１１８ａを有する。第１金属セパレータ１１４には、複数の孔部（開口部）１２０が形成され、樹脂製通路部材１１８ａは、前記孔部１２０を介して前記第１金属セパレータ１１４の両面１１４ａ、１１４ｂに一体成形される。樹脂製通路部材１１８ａ間には、通路１２２ａが形成される。
第１金属セパレータ１１４の外周端縁部には、両面１１４ａ、１１４ｂにわたって第１シール部材１２４が一体成形される。樹脂製通路部材１１８ａと第１シール部材１２４とは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いの一部を重ね合わせて成形される。
このように構成される第５の実施形態では、樹脂製通路部材１１８ａが、孔部１２０を介して第１金属セパレータ１１４の両面１１４ａ、１１４ｂに一体成形されている。従って、樹脂製通路部材１１８ａと第１金属セパレータ１１４とを一層強固且つ確実に一体化させることが可能になる。しかも、例えば、一方の面１１４ａから樹脂材料が供給されると、孔部１２０を介して反対の面１１４ｂに前記樹脂材料が供給されるため、製造が容易になる。
さらに、樹脂製通路部材１１８ａと第１シール部材１２４とは、積層方向に互いの一部を重ね合わせて成形されている。このため、樹脂製通路部材１１８ａと第１シール部材１２４との間隙から水が浸入することがなく、前記第１シール部材１２４の膨潤を可及的に阻止することができる。
なお、第１〜第５の実施形態では、２枚の金属セパレータで電解質膜・電極構造体を挟持する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、３枚の金属セパレータと２枚の電解質膜・電極構造体を備え、前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とを交互に積層する発電ユニットを用いるとともに、各発電ユニット間に冷却媒体流路を形成して前記発電ユニットを積層する燃料電池スタックを採用してもよい。
１０、１１０…燃料電池スタック １２、１１２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６０、７０、８０、９０、１００、１１４…金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路
２８ａ、２８ｂ、３６ａ、３６ｂ、４４ａ、４４ｂ、６２ａ、７２ａ、１１６ａ…連結ブリッジ部
２９…冷却媒体流路 ３０、３８、１２４…シール部材
３２ａ、３２ｂ、４０ａ、４０ｂ、４６ａ、４６ｂ、６６ａ、７６ａ、１１８ａ…樹脂製通路部材
３３ａ、３３ｂ、４２ａ、４２ｂ、４８ａ、４８ｂ、６８ａ、７８ａ、１２２ａ…通路
３４…燃料ガス流路 ５０…固体高分子電解質膜
５２…アノード側電極 ５４…カソード側電極
６４ａ、７４ａ…樹脂製連結部
８２、９２、１０２…ゴム被膜成形部 １２０…孔部
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６０、７０、８０、９０、１００、１１４…金属セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔 ２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…酸化剤ガス流路
２８ａ、２８ｂ、３６ａ、３６ｂ、４４ａ、４４ｂ、６２ａ、７２ａ、１１６ａ…連結ブリッジ部
２９…冷却媒体流路 ３０、３８、１２４…シール部材
３２ａ、３２ｂ、４０ａ、４０ｂ、４６ａ、４６ｂ、６６ａ、７６ａ、１１８ａ…樹脂製通路部材
３３ａ、３３ｂ、４２ａ、４２ｂ、４８ａ、４８ｂ、６８ａ、７８ａ、１２２ａ…通路
３４…燃料ガス流路 ５０…固体高分子電解質膜
５２…アノード側電極 ５４…カソード側電極
６４ａ、７４ａ…樹脂製連結部
８２、９２、１０２…ゴム被膜成形部 １２０…孔部
Claims (1)
- 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池スタックであって、
前記金属セパレータには、前記流体流路と前記流体連通孔との間を連通する連結ブリッジ部が設けられるとともに、
前記連結ブリッジ部は、前記金属セパレータに一体に設けられる樹脂製通路部材を有し、複数の前記樹脂製通路部材は、前記金属セパレータ上に樹脂製連結部を介して連続的に成形され、
前記金属セパレータと前記樹脂製通路部材との間には、ゴム製被覆部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
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