JP5877506B2 - 燃料電池スタックとこれを用いた荷重分担方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを積層させてなる燃料電池スタックとこれを用いた荷重分担方法に関する。

この種の従来技術として、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示された燃料電池スタックは、膜電極接合体を有する単セルを複数積層したものであり、その膜電極接合体の外周に沿って形成され、電気絶縁性を有する絶縁部材と、隣接する単セルにおいて前記絶縁部材同士を接合する接着部材を備えている。

日本国特開２０１０−１２３３７７号公報

上記の特許文献１に記載の燃料電池スタックにおいては、接着部材によって絶縁部材同士を接合しているので、積層方向の燃料電池スタック変位に絶縁部材が追従するように接着部材を変形させ、これにより絶縁部材に亀裂が生じるのを抑制できる。

しかしながら、上記した接着部材は、アノードセパレータとカソードセパレータに作用する荷重を分担するものではなく、また、アノード電極のガス拡散層やカソード電極のガス拡散層は、アノードガス、またはアノードガスとカソードガスの差により生ずる脈動運転に伴って膨縮するものであるが、この膨縮に伴い膜電極接合体に繰り返し応力が作用して破損等が生じる可能性を否定することが出来ない。

そこで本発明は、燃料電池セルの積層方向の圧縮荷重を分担でき、かつ、当該積層方向における引っ張り荷重の作用を解除できる燃料電池スタックとこれを用いた荷重分担方法の提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、アノード極側のガス拡散層及びカソード極側のガス拡散層を両面に接合した膜電極接合体を配設したセルフレームの両面側に、アノードセパレータとカソードセパレータとを配した燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックにおいて、上記アノードセパレータ、セルフレーム及びガス拡散層を互いに接着固定して燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担するためのアノード側荷重分担部材と、カソードセパレータ、セルフレーム及びガス拡散層を互いに接着固定して燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担するためのカソード側荷重分担部材とを有し、上記アノード側荷重分担部材又はカソード側荷重分担部材若しくはそれら双方に、接着力を弱めることで燃料電池セルの積層方向における引っ張り荷重の作用を解除する荷重解除手段を設けたことを特徴としている。

この構成においては、アノード側荷重分担部材とカソード側荷重分担部材とにより、燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担し、燃料電池セルの積層方向における引っ張り荷重が作用したときには、荷重解除手段によって、引っ張り荷重が作用することを解除する。これにより、燃料電池セルの積層方向の圧縮荷重を分担でき、かつ、当該積層方向における引っ張り荷重の作用を解除している。

本発明によれば、アノード側荷重分担部材とカソード側荷重分担部材とにより、燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担し、燃料電池セルの積層方向における引っ張り荷重が作用したときには、荷重解除手段によって引っ張り荷重が作用することを解除しているので、燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担でき、かつ、当該積層方向における引っ張り荷重の作用を解除することができ、これにより、膜電極接合体の破損等を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。 燃料電池セルの一部をなすセルフレームの拡大正面図である。 同上の燃料電池セルの一部をなすセパレータの拡大正面図である。 図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図であり、第一の例に係る荷重解除手段を示している。 （Ａ）は、膜電極接合体の変位とアノード，カソード側荷重分担部材の関係を示す図、（Ｂ）は、膜電極接合体に生ずる応力とアノード，カソード側荷重分担部材の有無との関係を示す図、（Ｃ）は、膜電極接合体に加わる繰り返し曲げ応力と繰り返し数との関係を示す図である。 第二の例に係る荷重解除手段を示すものであり、図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分に相当する部分断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図、図２は、その燃料電池スタックの分解斜視図、図３は、燃料電池セルの一部をなすセルフレームの拡大正面図である。また、図４は、その燃料電池セルの一部をなすセパレータの拡大正面図、図５は、図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図であり、第一の例に係る荷重解除手段を示している。
＜第1実施例＞

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックＡは、図１，２に示すように、一対のエンドプレート１０，１１間に、燃料電池モジュールＭ，Ｍ、シールプレートＰ１を積層させ、かつ、それらのエンドプレート１０，１１により、それら燃料電池モジュールＭ，Ｍ、シールプレートＰ１を挟圧するようにして締結板１２，１３及び補強板１４，１５によって締結した構成のものである。

上記のセルモジュールＭは、所要の枚数からなる燃料電池セル２０を積層させたものであり、また、そのセルモジュールＭの外壁面を接着剤層によってモールドしている。これにより、セルモジュールＭ内部への浸水を防止するとともに電気的な絶縁を図っている。

上記した燃料電池セル２０は、セルフレーム２１の両面側に、それぞれ異なる二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通路Ｆ１，Ｆ２（図５参照）を区画形成するようにしてアノード，カソードセパレータ２５Ａ，２５Ｂを配設したものである。
「二種類の発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。

セルフレーム２１は樹脂製のものであり、本実施形態においては、図３に示すように、燃料電池セル２０の積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、一定の板厚にして形成したものである。
上記セルフレーム２１の中央部分には膜電極接合体２２が、また、その膜電極接合体２２の両側（両端部）にはマニホールド部ＭＬ，ＭＲが配設されている。

膜電極接合体２２は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜２３の両面に燃料極側のガス拡散層２４及び酸化剤極側のガス拡散層２６をそれぞれ配置した構造を有している。

上記マニホールド部ＭＬ，ＭＲは、それぞれ水素含有ガス、酸素含有ガス及び冷却流体の流出入を行なうためのものであり、それらマニホールド部ＭＬ，ＭＲと膜電極接合体２２との間には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ領域Ｄ１，Ｄ１が形成されている。
本実施形態において示す冷却流体は「水」である。

一側部のマニホールド部ＭＬはマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３からなる。
それらマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３は、水素含有ガス供給用（Ｍ１）、冷却流体供給用（Ｍ２）及び酸素含有ガス供給用（Ｍ３）のものであり、上記積層方向αにそれぞれの流通路をなしている。

他方のマニホールド部ＭＲはマニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６からなる。
各マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６は、酸素含有ガス排出用（Ｍ４）、冷却流体排出用（Ｍ５）及び水素含有ガス排出用（Ｍ６）のものであり、上記積層方向αにそれぞれの流通路をなしている。なお、供給用のものと排出用のものは一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

ディフューザ領域Ｄ１は、膜電極接合体２２とマニホールド部ＭＬとの間及びその膜電極接合体２２とマニホールド部ＭＲとの間であって、セルフレーム２１の両面にそれぞれ形成されている。
このディフューザ領域Ｄ１には、互いに同形同大の円錐台形にした整流のための複数の突起９が所要の間隔にして２列にして配列されている。
セルフレーム２１には、外縁部に沿って接着シール７が全周にわたり無端状に連続させ、かつ、マニホールド孔Ｍ１，Ｍ２、Ｍ５，Ｍ６をそれぞれ囲繞するように形成されている。

アノード，カソードセパレータ２５Ａ，２５Ｂは、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記したセルフレーム２１とほぼ同じ大きさの横長方形にして形成されている。

これらのアノード，カソードセパレータ２５Ａ，２５Ｂは、上記した膜電極接合体２２に対向する中央部分に、長手方向に連続した流路形成部２５ａ，２５ｂが凹凸形成されているとともに、両端部には、上記したセルフレーム２１の各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と対向して、それらと同形同大のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が互いに対向して形成されている（図４参照）。
本実施形態においては、流路形成部２５ａ，２５ｂを形成した領域がアクティブエリアｃである。

マニホールド部ＭＬと流路形成部２５ａ（２５ｂ）のガス流入端部との間、及びマニホールド部ＭＲと流路形成部２５ａ（２５ｂ）のガス流出端部との間には、ディフューザ領域Ｄ２，Ｄ２が形成されている。
このディフューザ領域Ｄ２には、互いに同形同大の円錐台形にした複数の突起８が所要の間隔にして格子状に配列されている。

上述した構成からなる燃料電池セル２０には、図５に示すアノード側荷重分担部材３０、カソード側荷重分担部材４０及び荷重解除手段５０を有している。

アノード側荷重分担部材３０は、アノードセパレータ２５Ａ及びガス拡散層２４を互いに接着固定して燃料電池セル２０の積層方向αにおける圧縮荷重を分担するためのものであり、例えばシリコン系，エポキシ系，オレフィン系の接着剤からなる。
このアノード側荷重分担部材３０は、所要の厚みにし、かつ、セルフレーム２１とガス拡散層２４の接合部分ａを含む所要の領域を覆う幅Ｗにして形成されている。

カソード側荷重分担部材４０は、上記したアノード側荷重分担部材３０と同様の材質及び形状にして形成されており、カソードセパレータ２５Ｂ及びガス拡散層２６を互いに接着固定して燃料電池セル２０の積層方向αにおける圧縮荷重を分担するためのものである。

荷重解除手段５０は、上記したカソード側荷重分担部材４０と、セルフレーム２１及びガス拡散層２６との間に介挿形成されている。つまり、荷重解除手段５０は、セルフレーム２１とガス拡散層２６とに跨って配置され、燃料電池セル２０の積層方向における引っ張り荷重の作用を解除する。
本実施形態において示す荷重解除手段５０は、カソード側荷重分担部材４０に塗布した接着前処理剤である。

本実施形態においては、上記したアクティブエリアｃの両長辺縁に沿って、上記した荷重解除手段５０、アノード側荷重分担部材３０及びカソード側荷重分担部材４０を配設している。
すなわち、荷重解除手段５０を形成することにより、アノード側荷重分担部材３０とセルフレーム２１及びガス拡散層２４との接着力が比較的向上する。これにより、例えば上記したガス拡散層２４，２６が膨潤したときには、接着力が比較的弱いカソード側荷重分担部材４０とセルフレーム２１及びガス拡散層２６とが離反し、上記積層方向αにおける引っ張り荷重の作用を解除している。
これにより、膜電極接合体２２やセルフレーム２１等の破損を防ぐことができる。

図６（Ａ）は、膜電極接合体の変位とアノード，カソード側荷重分担部材の関係を示す図、（Ｂ）は、膜電極接合体に生ずる応力とアノード，カソード側荷重分担部材の有無との関係を示す図、（Ｃ）は、膜電極接合体に加わる繰り返し曲げ応力と繰り返し数との関係を示す図である。なお、図６においては、膜電極接合体を「ＭＥＡ‐ＡＳＳＹ」と表記し、また、アノード，カソード側荷重分担部材の有り無しを「有」，「無」で示している。

図６（Ａ）から明らかなように、アノード，カソード側荷重分担部材３０，４０を設けることにより、膜電極接合体２２の変位が抑えられている。また、同図（Ｂ）から明らかなように、アノード，カソード側荷重分担部材３０，４０を設けたときには、膜電極接合体２２に発生する応力が低減している。
また、同図（Ｃ）から明らかなように、アノード，カソード側荷重分担部材３０，４０を設けたときに、繰り返し回数、すなわち寿命が著しく伸びている。
＜第２実施例＞

図７は、第二の例に係る荷重解除手段を示す図４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分に相当する部分断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第二の例に係る荷重解除手段６０は、アノード側荷重分担部材３０とアノードセパレータ２５Ａとの間、アノード側荷重分担部材３０とセルフレーム２１とガス拡散層２４との間、及びカソードセパレータ２５Ｂとカソード側荷重分担部材４０との間に、接着前処理剤６０ａ〜６０ｃを塗布したものである。この荷重解除手段６０にあっても、セルフレーム２１とガス拡散層２４とに跨って配置され、燃料電池セル２０の積層方向における引っ張り荷重の作用を解除する。

上記した接着前処理剤６０ａ〜６０ｃを形成することにより、アノードセパレータ２５Ａとセルフレーム２１及びガス拡散層２４との接着力、セルフレーム２１及びガス拡散層２４とアノード側荷重分担部材３０との接着力、並びにカソードセパレータ２５Ｂとカソード側荷重分担部材４０との接着力がそれぞれ向上する。
これにより、例えば上記したガス拡散層２４，２６が膨潤したときには、接着力が比較的弱いカソード側荷重分担部材４０とカソードセパレータ２５Ｂ及びガス拡散層２５とが離反し、膜電極接合体２２やセルフレーム２１等の破損を防ぐことができる。

なお、図７においては、接着前処理剤６０ａ〜６０ｃを塗布したものを例として説明したが、それら接着前処理剤に換えて、第三の例に係る荷重解除手段７０として、ＵＶ，コロナ，プラズマ処理、及びブラスト等による表面粗し等の表面処理８０を行うようにしてもよい。
この場合にも、例えば上記したガス拡散層２４，２６が膨潤したときには、接着力が比較的弱いカソード側荷重分担部材４０とカソードセパレータ２５Ｂ及びガス拡散層２６とが離反し、膜電極接合体２２やセルフレーム２１等の破損を防ぐことができる。

上記した燃料電池スタックを用いた荷重分担方法は、上記アノード側荷重分担部材３０により、アノードセパレータ２５Ａ、セルフレーム２１及びガス拡散層２４，２６を互いに固定して燃料電池セル２０の積層方向における圧縮荷重を分担し、カソード側荷重分担部材４０により、カソードセパレータ２５Ｂ、セルフレーム２１及びガス拡散層２４，２６を互いに固定して燃料電池セル２０の積層方向における圧縮荷重を分担し、上記アノード側荷重分担部材３０又はカソード側荷重分担部材４０若しくはそれら双方に設けた荷重解除手段５０，６０，７０，８０により、燃料電池セル２０の積層方向における引っ張り荷重の作用を解除することを特徴としたものである。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
以上詳細に説明したが、要するに、上記したアノード側荷重分担部材３０又はカソード側荷重分担部材４０若しくはそれら双方に、燃料電池セル２０の積層方向αにおける引っ張り荷重の作用を解除する荷重解除手段を有する構成であればよい。

具体的には、アノード側荷重分担部材３０とアノードセパレータ２５Ａとの間又はアノード側荷重分担部材３０とセルフレーム２１とガス拡散層２４との間と、セルフレーム２１及びガス拡散層２５とカソード側荷重分担部材４０との間又はカソードセパレータ２５Ｂとカソード側荷重分担部材４０との間に塗布した荷重解除手段の組み合わせである。

２０ 燃料電池セル
２１ セルフレーム
２２ 膜電極接合体
２４，２６ ガス拡散層
２５Ａ アノードセパレータ
２５Ｂ カソードセパレータ
３０ アノード側荷重分担部材
４０ カソード側荷重分担部材
５０ 第一の例に係る荷重解除手段
６０ 第二の例に係る荷重解除手段
６０ａ〜６０ｃ 前処理剤
７０ 第三の例に係る荷重解除手段
８０ 表面処理
Ａ 燃料電池スタック
ｃ アクティブエリア

Claims (7)

1. アノード極側のガス拡散層及びカソード極側のガス拡散層を両面に接合した電解質膜を配設したセルフレームの両面側に、アノードセパレータとカソードセパレータとを配した燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックにおいて、
   上記アノードセパレータ、セルフレーム及びガス拡散層を互いに固定して燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担するためのアノード側荷重分担部材と、
   カソードセパレータ、セルフレーム及びガス拡散層を互いに固定して燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担するためのカソード側荷重分担部材とを有し、
   上記アノード側荷重分担部材又はカソード側荷重分担部材若しくはそれら双方に、接着力を弱めることで燃料電池セルの積層方向における引っ張り荷重の作用を解除する荷重解除手段を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 荷重解除手段は、セルフレームとガス拡散層とに跨って配置され、燃料電池セルの積層方向における引っ張り荷重の作用を解除することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 荷重解除手段は、アノード側荷重分担部材又はカソード側荷重分担部材若しくはそれら双方において、荷重分担部材とセパレータとの間、並びに荷重分担部材とセルフレーム及びガス拡散層との間の少なくとも一方の間に、塗布された接着前処理剤である請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 荷重解除手段は、アノード側荷重分担部材又はカソード側荷重分担部材若しくはそれら両方において、荷重分担部材とセパレータとの間、並びに荷重分担部材とセルフレーム及びガス拡散層との間の少なくとも一方の間に施された表面処理である請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 表面処理は、表面粗しによるものである請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 荷重解除手段、アノード側荷重分担部材及びカソード側荷重分担部材をアクティブエリアの長辺縁に沿って配設している請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 請求項１〜４及び６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを用いた荷重分担方法において、
   上記アノード側荷重分担部材により、アノードセパレータ、セルフレーム及びガス拡散層を互いに接着固定して燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担し、
   カソード側荷重分担部材により、カソードセパレータ、セルフレーム及びガス拡散層を互いに接着固定して燃料電池セルの積層方向における圧縮荷重を分担し、
   上記アノード側荷重分担部材又はカソード側荷重分担部材若しくはそれら双方に設けた荷重解除手段により、荷重分担部材とセパレータとの間の接着力、並びに荷重分担部材とセルフレーム及びガス拡散層との間の接着力の少なくとも一方の接着力を弱めておくことで、燃料電池セルの積層方向における引っ張り荷重の作用を解除することを特徴とする燃料電池スタックを用いた荷重分担方法。

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