JP5427049B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層された端部ユニットが配設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発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。このため、電解質膜・電極構造体とセパレータとの間及び前記セパレータ間には、種々のシール部材が介装されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図６に示すように、単セル１が複数積層されるとともに、前記単セル１は、ＭＥＡ２と、このＭＥＡ２を挟持するアノードセパレータ３及びカソードセパレータ４とから構成されている。ＭＥＡ２は、電解質膜２ａと、この電解質膜２ａの両面に配置されるアノード２ｂ及びカソード２ｃとからなっている。

アノードセパレータ３及びカソードセパレータ４と電解質膜２ａの外周縁部との間には、外部へのガスの漏洩を防止するためのシール５が設置されている。互いに隣接するアノードセパレータ３とカソードセパレータ４との間には、ゴムシール６が設置されている。

特開２００７−２９９６７３号公報

ところで、上記の燃料電池スタックでは、積層された単セル１の積層方向両端には、それぞれ集電プレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されるとともに、前記単セル１の積層方向に締め付け荷重が付与されている。

その際、積層方向端部のエンドプレートと集電プレート（又は絶縁プレート）との間には、シールが介装されている。このシールは、単セル１内に配置されるシール５やゴムシール６に比べて、剛性の高いシール当接面に当接している。このため、高剛性シール当接面に当接するシールは、他のシールに比べてシール線圧が大きくなり、前記シールに割れ等の損傷が発生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、簡単な構成で、比較的剛性の高いシール当接面に当接するシール部材に、割れ等の損傷が発生すること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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層された端部ユニットが配設される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を個別にシールするためのシール部材が設けられ、前記シール部材は、前記積層体の積層方向に沿って同一位置に設けられたシール当接面に当接する凸状シール部を有し、積層体を構成し、少なくとも積層方向一端部に配置される端部セパレータに設けられる端部シール部材は、前記積層方向に沿って前記シール当接面と同一位置に設けられ且つ該シール当接面よりも剛性の高い前記端部ユニットの端部シール当接面に当接する端部凸状シール部を有する一方、前記端部セパレータと前記端部ユニットとの間にのみ、前記積層方向に沿って前記凸状シール部及び前記端部凸状シール部と重ならない位置にスペーサ部材が配設されている。

また、スペーサ部材は、樹脂製部材で構成されることが好ましい。

さらに、スペーサ部材は、端部シール部材の外方を周回するリング形状を有することが好ましい。

本発明によれば、端部セパレータと端部ユニットとの間に、端部シール部材の外方に位置してスペーサ部材が配設されている。このため、端部シール部材は、剛性の高いシール当接面に当接することによりシール線圧が増加することを、確実に阻止することができる。従って、端部シール部材は、積層体内に配置される他のシール部材と同等のシール線圧に設定される。これにより、簡単な構成で、比較的剛性の高いシール当接面に当接する端部シール部材に、割れ等の損傷が発生することを可及的に阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの概略断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２端部セパレータの正面説明図である。 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２端部セパレータの正面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池スタックの概略説明図である。

図１及び図２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１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層されて積層体１３を構成する。

積層体１３の積層方向一端には、ターミナルプレート１４ａ、絶縁プレート１６ａ及びエンドプレート１８ａが配設される。積層体１３の積層方向他端には、ターミナルプレート１４ｂ、絶縁プレート１６ｂ及びエンドプレート１８ｂが配設される。図２に示すように、絶縁プレート１６ａ、１６ｂには、凹部１９ａ、１９ｂが形成され、前記凹部１９ａ、１９ｂにターミナルプレート１４ａ、１４ｂが収容される。

図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図３中、鉛直方向）の上端縁部には、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２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂ、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２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。第１シール部材３８は、面２２ａ、２２ｂ側に突出する凸状シール部３８ａ、３８ｂを有する一方、第２シール部材４０は、面２４ａ、２４ｂ側に突出する凸状シール部４０ａ、４０ｂを有する。

第１及び第２シール部材３８、４０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。

電解質膜・電極構造体２０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６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て形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。

第１シール部材３８及び第２シール部材４０では、凸状シール部３８ａ、４０ａにより固体高分子電解質膜４２を挟持するとともに、隣接する凸状シール部３８ｂ、４０ｂが互いに当接する。

図１に示すように、エンドプレート１８ａとエンドプレート１８ｂとの間には、複数本の連結部材５０が架け渡される。連結部材５０は、長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。連結部材５０の矢印Ａ方向の両端部は、ボルト５２を介してエンドプレート１８ａ及びエンドプレート１８ｂの側部に固定され、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、積層方向に所定の締め付け荷重が付与される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、ターミナルプレート１４ａ、絶縁プレート１６ａ及びエンドプレート１８ａが積層された端部ユニット５４ａと、ターミナルプレート１４ｂ、絶縁プレート１６ｂ及びエンドプレート１８ｂが積層された端部ユニット５４ｂとを有する。

燃料電池１２の積層方向両端部には、第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）と第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）とが配置される。第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）に設けられる第１端部シール部材３８（ＥＮＤ）は、凸状シール部３８ｂを絶縁プレート１６ｂのシール当接面５５ｂに当接している。このシール当接面５５ｂは、他の凸状シール部３８ｂが凸状シール部４０ｂに当接するシール当接面（積層体１３内のシール当接面）よりも剛性が高い。

同様に、第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）に設けられる第２端部シール部材４０（ＥＮＤ）は、凸状シール部４０ｂが絶縁プレート１６ａのシール当接面５５ａに当接している。このシール当接面５５ａは、他の凸状シール部４０ｂが当接する凸状シール部３８ｂのシール当接面よりも剛性が高い。

第１の実施形態では、第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）と端部ユニット５４ａとの間、及び第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）と端部ユニット５４ｂとの間に、凸状シール部４０ｂ、３８ｂの外方に位置してスペーサ部材５６ａ、５６ｂが配設される。スペーサ部材５６ａ、５６ｂは、樹脂製部材で構成される。

図４に示すように、スペーサ部材５６ａは、第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）の面２４ｂに、凸状シール部４０ｂの外方を周回してリング形状（円環状）に構成される。スペーサ部材５６ｂは、上記のスペーサ部材５６ａと同様に、第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）の面２２ｂに、凸状シール部３８ｂの外方を周回してリング形状に構成される。

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、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２８ａ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、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入され、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）と端部ユニット５４ａとの間には、凸状シール部４０ｂの外方に位置して樹脂製のスペーサ部材５６ａが配設されている。第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）では、凸状シール部４０ｂが、他の第２セパレータ２４の凸状シール部４０ｂのシール当接面（凸状シール部３８ｂ）に比べて剛性の高い絶縁プレート１６ａのシール当接面５５ａに当接するため、シール線圧が増加し易い。

そこで、第１の実施形態では、剛性の高いシール当接面５５ａに当接する凸状シール部４０ｂの外方に、スペーサ部材５６ａが配置されている。これにより、絶縁プレート１６ａに当接する凸状シール部４０ｂのシール線圧が増加することを、確実に阻止することができる。

従って、第２端部シール部材４０（ＥＮＤ）は、他のシール部材４０と同等のシール線圧に設定される。これにより、簡単な構成で、比較的剛性の高いシール当接面５５ａに当接する第２端部シール部材４０に、割れ等の損傷が発生することを可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）においても同様に、比較的剛性の高い絶縁プレート１６ｂのシール当接面５５ｂに当接する凸状シール部３８ｂの外方に位置して、スペーサ部材５６ｂが配置されている。このため、凸状シール部３８ｂは、シール線圧の増加が有効に阻止され、割れ等の損傷が発生することを可及的に回避することができる。

なお、第１の実施形態では、第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）と端部ユニット５４ａとの間に、スペーサ部材５６ａが配置されるとともに、第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）と端部ユニット５４ｂとの間に、スペーサ部材５６ｂが配置されているが、いずれか一方にのみスペーサ部材５６ａ又は５６ｂを配置してもよい。

また、凸状シール部４０ｂ、３８ｂは、絶縁プレート１６ａ、１６ｂのシール当接面５５ａ、５５ｂに当接しているが、これに限定されるものではない。例えば、ターミナルプレート１４ａ、１４ｂが、絶縁プレート１６ａ、１６ｂと同一の寸法に設定されている際には、凸状シール部４０ｂ、３８ｂは、前記ターミナルプレート１４ａ、１４ｂのシール当接面に当接してもよい。

図５は、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スペーサ部材６０の説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、第２の実施形態では、第２端部セパレータ２４（ＥＮＤ）にのみスペーサ部材６０を示しているが、第１端部セパレータ２２（ＥＮＤ）にも同様のスペーサ部材６０を用いることができる。

スペーサ部材６０は、面２４ｂに凸状シール部４０ｂの外方に位置して断続的に設けられる直線部材６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄを有する。従って、第２の実施形態では、リング形状に代えて、それぞれ個別の直線部材６２ａ〜６２ｄを用いるため、配置作業性が向上するとともに、軽量化が図られるという効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４ａ、１４ｂ…ターミナルプレート １６ａ、１６ｂ…絶縁プレート
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２（ＥＮＤ）、２４（ＥＮＤ）…端部セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔 ２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔 ３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路
３８（ＥＮＤ）、４０（ＥＮＤ）…端部シール部材
３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ…凸状シール部
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極 ５０…連結部材
５４ａ、５４ｂ…端部ユニット ５５ａ、５５ｂ…シール当接面
５６ａ、５６ｂ、６０…スペーサ部材 ６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ…直線部材

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層された端部ユニットが配設される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を個別にシールするためのシール部材が設けられ、
   前記シール部材は、前記積層体の積層方向に沿って同一位置に設けられたシール当接面に当接する凸状シール部を有し、
   前記積層体を構成し、少なくとも積層方向一端部に配置される端部セパレータに設けられる端部シール部材は、前記積層方向に沿って前記シール当接面と同一位置に設けられ且つ該シール当接面よりも剛性の高い前記端部ユニットの端部シール当接面に当接する端部凸状シール部を有する一方、
   前記端部セパレータと前記端部ユニットとの間にのみ、前記積層方向に沿って前記凸状シール部及び前記端部凸状シール部と重ならない位置にスペーサ部材が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記スペーサ部材は、樹脂製部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記スペーサ部材は、前記端部シール部材の外方を周回するリング形状を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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