JP5809614B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層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固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持して構成されている。

この種の燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池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。その際、車両の衝突時のように、燃料電池スタックに外部荷重が付与されると、セパレータが変形してシール性が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、複数のセパレータを積層方向に一体に保持する接続部材と、前記接続部材により一体に保持される前記セパレータの中、少なくとも１つのセパレータの外周部に設けられ、他のセパレータの外周部より外方に突出して外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部とを備えている。

特開２００８−２７７６１号公報

ところで、樹脂製ガイド部として、エンジニアリングプラスチックが使用される場合が多く、樹脂コストが高価となっている。このため、樹脂の使用量を削減させることが望まれている。

本発明は、この種の要請に対応するものであり、外部荷重に対して所望の強度を維持するとともに、樹脂使用量を良好に削減することができ、経済的に構成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設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層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では、セパレータは、投錨用の複数の貫通孔を設け、外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部は、該樹脂製ガイド部を構成する樹脂の一部が前記複数の貫通孔に充填されて、前記セパレータに一体成形されている。そして、樹脂製ガイド部は、セパレータ面内で終端する端面が、複数の貫通孔である各貫通孔を覆う凸状湾曲部と前記各貫通孔間に入り込む凹状湾曲部とを交互に有する波形状に構成されている。

また、この燃料電池スタックでは、セパレータには、樹脂製ガイド部の端面に接着してゴム製シール部材が一体成形されることが好ましい。

本発明によれば、樹脂製ガイド部の端面は、波形状に構成されており、各貫通孔間に入り込む凹状湾曲部を有している。このため、平坦状の端面に構成する場合に比べ、樹脂の使用量を削減させることができる。しかも、樹脂製ガイド部の端面は、各貫通孔を覆う凸状湾曲部を有することにより、外部荷重に対する強度を保持することが可能になる。

これにより、外部荷重に対して所望の強度を維持するとともに、樹脂使用量を良好に削減することができ、燃料電池スタック全体を経済的に構成することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。 前記燃料電池ユニットを構成する第２セパレータの要部拡大説明図である。 前記第２セパレータの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記第２セパレータに荷重受け部を成形する成形装置の要部斜視説明図である。 前記成形装置の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池ユニット１２を備える。複数の燃料電池ユニット１２が、矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックを構成する。

燃料電池ユニット１２は、第１電解質膜（電解質）・電極構造体（ＭＥＡ）１４ａ及び第２電解質膜（電解質）・電極構造体（ＭＥＡ）１４ｂと、第１セパレータ１６、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０とを設ける。第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の間には、第１電解質膜・電極構造体１４ａが挟持される一方、前記第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の間には、第２電解質膜・電極構造体１４ｂが挟持される。第１セパレータ１６〜第３セパレータ２０は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

なお、本実施形態では、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとにより燃料電池ユニット１２を構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、３枚以上のＭＥＡと５枚以上のセパレータとにより燃料電池ユニット１２を構成してもよい。また、２枚のセパレータ間に１枚のＭＥＡを挟持することにより、燃料電池ユニット１２を構成してもよい。

燃料電池ユニット１２の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、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２２ａと、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２４ａとが設けられる。

燃料電池ユニット１２の長辺方向の他端縁部（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２４ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが設けられる。

燃料電池ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。

第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂ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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。

アノード電極３０及びカソード電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。

第１セパレータ１６の第１電解質膜・電極構造体１４ａに向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する。第１セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路３６が形成される。冷却媒体流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する。

第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１４ａに向かう面１８ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する第１酸化剤ガス流路３８が設けられるとともに、前記第１酸化剤ガス流路３８は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する。第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１４ｂに向かう面１８ｂには、矢印Ｃ方向に延在して燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第２燃料ガス流路４０が形成される。

第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１４ｂに向かう面２０ａには、矢印Ｃ方向に延在して酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第２酸化剤ガス流路４２が設けられる。第３セパレータ２０の面２０ｂには、第１セパレータ１６の面１６ｂと重なり合って冷却媒体流路３６が一体的に形成される。

第１セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１セパレータ１６の外周端縁部を周回して第１シール部材４４が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材４８が一体成形される。

第１シール部材４４、第２シール部材４６及び第３シール部材４８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

第１セパレータ１６の外周部には、複数の樹脂製荷重受け部５０が一体化される。第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０には、それぞれ第１セパレータ１６の各荷重受け部５０と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の樹脂製荷重受け部５２、５４が一体化される。荷重受け部５０、５２及び５４には、例えば、エンジニアリングプラスチック、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＳＦ（ポリサルホン）又はＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）等が使用される。

荷重受け部５０、５２及び５４の中、少なくとも前記荷重受け部５２は、他の荷重受け部５０、５４よりも外方に突出する。この荷重受け部５２は、外部から付与される荷重（外部荷重）を受けるとともに、各燃料電池ユニット１２の積層時にガイド機能を有する樹脂製ガイド部を構成する。なお、第２セパレータ１８にのみ荷重受け部５２を設け、第１セパレータ１６及び第３セパレータ２０に荷重受け部５０、５４を設けなくてもよい。

図２に示すように、第２セパレータ１８を構成する金属プレート５６には、切り欠き部５６ａが設けられており、前記切り欠き部５６ａに荷重受け部５２が一体成形される。金属プレート５６には、切り欠き部５６ａに近接して複数の投錨用の貫通孔５８が形成され、前記貫通孔５８に樹脂が充填されて荷重受け部５２が設けられる。

荷重受け部５２は、切り欠き部５６ａに沿って延在する長尺な基台部５２ａと、前記基台部５２ａの中央部位から第２セパレータ１８の外方に突出する突起部５２ｂとを一体に有する。荷重受け部５２は、第２セパレータ１８のセパレータ面（１８ａ、１８ｂ）内で終端する端面５２ｃが、各貫通孔５８を覆う凸状湾曲部５２ｃａと各貫通孔５８間に入り込む凹状湾曲部５２ｃｂとを交互に有する波形状に構成される（図２及び図３参照）。

なお、荷重受け部５０、５４は、上記の荷重受け部５２と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

次いで、第２セパレータ１８に荷重受け部５２を一体化する方法について、説明する。

先ず、図４に示すように、金属プレート５６が形成される。この金属プレート５６は、第２セパレータ１８を構成するとともに、各荷重受け部５２に対応して切り欠き部５６ａ及び複数の貫通孔５８が設けられる。金属プレート５６は、樹脂用成形装置６０に配置される。

成形装置６０は、図４及び図５に示すように、下型６２と上型６４とを備え、これらの間には、荷重受け部５２の形状に対応するキャビティ６６が形成される。下型６２及び上型６４には、それぞれキャビティ６６を構成する波形状成形面６６ａ、６６ｂが設けられる。波形状成形面６６ａ、６６ｂは、荷重受け部５２の端面５２ｃの波形状に対応する。下型６２及び上型６４には、射出成形時に金属プレート５６をキャビティ６６内に挟持するための複数の押さえピン６８ａ、６８ｂが設けられる。その際、金属プレート５６に設けられている貫通孔５８の中、両端部に配置されている前記貫通孔５８は、端部に配置されている押さえピン６８ａ、６８ｂの位置よりも側方に突出している（図２及び図４参照）。

そこで、下型６２と上型６４とは、金属プレート５６を挟持して型締めされた状態で、キャビティ６６に溶融樹脂が充填される。溶融樹脂は、キャビティ６６内を金属プレート５６の両面に沿って流動するとともに、複数の貫通孔５８に充填される。このため、溶融樹脂が固化（硬化）することにより、金属プレート５６には、切り欠き部５６ａに沿って荷重受け部５２が一体成形される。

さらに、金属プレート５６の外周縁部に絶縁被覆処理を施すことにより、第２シール部材４６が一体成形される（図３参照）。第２シール部材４６は、荷重受け部５２の端面５２ｃに接着される。従って、第２セパレータ１８が製作される。なお、第１セパレータ１６及び第３セパレータ２０は、上記の第２セパレータ１８と同様に製造される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、荷重受け部５２の端面５２ｃは、波形状に構成されている。端面５２ｃは、金属プレート５６の各貫通孔５８間に入り込む凹状湾曲部５２ｃｂを有している。従って、端面５２ｃを平坦状に構成する場合に比べ、樹脂の使用量を削減させることができる。しかも、荷重受け部５２の端面５２ｃは、各貫通孔５８を覆う凸状湾曲部５２ｃａを有することにより、外部荷重に対する強度を保持することが可能になる。

これにより、第２セパレータ１８は、外部荷重に対して所望の強度を維持するとともに、樹脂使用量を良好に削減することができる。このため、燃料電池スタック１０全体を経済的に構成することが可能になるという効果が得られる。

さらに、荷重受け部５２の端面５２ｃは、波形状に構成されるため、第２シール部材４６との接着面積が増加する。従って、プライマー塗布範囲が拡大され、絶縁性能を有効に向上させることができる。

次に、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、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池ユニット１２では、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給される。さらに、２つの冷却媒体入口連通孔２６ａには、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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに沿って矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路３８及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路４２に導入される。第１酸化剤ガス流路３８に導入された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４ａのカソード電極３２に沿って矢印Ｃ方向に移動する一方、第２酸化剤ガス流路４２に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのカソード電極３２に沿って矢印Ｃ方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第１セパレータ１６の第１燃料ガス流路３４及び第２セパレータ１８の第２燃料ガス流路４０に導入される。このため、燃料ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂの各アノード電極３０に沿って矢印Ｃ方向に移動する。

従って、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂでは、各カソード電極３２に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極３０に供給される燃料ガスとが、図示しない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、各カソード電極３２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２２ｂに沿って流動した後、燃料電池スタック１０から排出される。同様に、各アノード電極３０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２４ｂに排出されて流動し、燃料電池スタック１０から排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２６ａから燃料電池ユニット１２間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂを移動して燃料電池スタック１０から排出される。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池ユニット
１４ａ、１４ｂ…電解質膜・電極構造体
１６、１８、２０…セパレータ ２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６ａ…冷却媒体入口連通孔
２６ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード電極 ３２…カソード電極
３４、４０…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
３８、４２…酸化剤ガス流路 ５０、５２、５４…荷重受け部
５２ａ…基台部 ５２ｂ…突起部
５２ｃ…端面 ５２ｃａ…凸状湾曲部
５２ｃｂ…凹状湾曲部 ５６…金属プレート
５６ａ…切り欠き部 ５８…貫通孔
６０…成形装置 ６２…下型
６４…上型 ６６…キャビティ

Claims (2)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、投錨用の複数の貫通孔を設け、外部からの荷重を受けるための樹脂製ガイド部は、該樹脂製ガイド部を構成する樹脂の一部が前記複数の貫通孔に充填されて、前記セパレータに一体成形されるとともに、
   前記樹脂製ガイド部は、セパレータ面内で終端する端面が、前記複数の貫通孔である各貫通孔を覆う凸状湾曲部と前記各貫通孔間に入り込む凹状湾曲部とを交互に有する波形状に構成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、前記セパレータには、前記樹脂製ガイド部の前記端面に接着してゴム製シール部材が一体成形されることを特徴とする燃料電池スタック。
   

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