JP5880822B2

JP5880822B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP5880822B2
Application number: JP2011239082A
Authority: JP
Inventors: 吉澤　幸大; 幸大吉澤; 桂太入月
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: JP2013097982A

Description

本発明は、燃料電池ユニットを積み重ねた燃料電池スタックに関する。

この種の燃料電池ユニットとして、特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された燃料電池ユニットは、単セルとセパレータ板との間に、外縁部を閉塞した扁平なガス室を有するディスク型のものであり、そのガス室には、複数の弾性突部を切り起しにより一方の面に形成した集電プレートが配設されている。

特開２００９‐２６６５３３号公報

しかしながら、複数の弾性突部は、上記した発電用ガス等の流体の流通方向に交差する平面において、全て同一方向に傾斜させて形成したものである。
複数の弾性突部を全て同一方向に傾斜させた場合、流体の流通方向の上流側と下流側における弾性突部に隙間がないときには圧力損失を低下させられるものの、実際には弾性突部間に空間が生じるために圧力損失が増大する。
また、例えば流通路の高さが低くなった場合には、流体が流通する空間が扁平し、この場合にも圧力損失が増大する。

そこで本発明は、実用域において冷却流体が流通する冷却流体流通路の変形程度に関わらず、その冷却流体流通路の圧力損失を低減させられる燃料電池スタック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、膜電極接合体との間にガス流通路を区画形成するセパレータを有するとともに、隣り合うセパレータ間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路を形成しており、上記冷却流体流通路に変位吸収部材が配設され、
上記変位吸収部材が、板状体として形成された複数の弾性突起を備え、
上記板状体が、板厚面を流体流通方向に直角に向け、かつ傾いたものであり、
上記弾性突起が、流体流通方向に一定の間隔で上記傾きが互いに交わる向きに複数配列されて弾性突起列を成し、
上記弾性突起列が、流体流通方向と直交する方向に所定の間隔で複数列設している。
この構成においては、冷却流体流通路内において、互いに交わる向きに傾けた弾性突起によって、冷却流体の流動に変化を生じにくくして、圧力損失を低減できる。

本発明によれば、実用域において冷却流体が流通する冷却流体流通路の変形程度に関わらず、その流体流通路の圧力損失を低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図である。同上の燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。本発明の一例に係る燃料電池ユニットの平面図である。図３に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分断面図である。（Ａ）は、ガス流通路に配設する一例に係る変位吸収部材の斜視図、（Ｂ）は、その側面図である。冷却流体流通路に配設する一例に係る変位吸収部材の斜視図、（Ｂ）は、その側面図である。一例に係る変位吸収部材の弾性突起を、これの鈍角をなす板厚面を流体流通方向と直角に向けて配列した形態において、ガス流体の流通速度と距離との関係を示すグラフである。冷却流体の断面における流速分布の説明図である。本願発明と従来例との冷却流体の圧力損失を比較したグラフである。弾性突起間の間隔と、単位長さあたりの圧力損失との関係を示すグラフである。

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外観斜視図、図２は、その燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。また、図３は、本発明の一例に係る燃料電池ユニットの平面図、図４は、図３に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型のものを例としている。
図１，２に示すように、上記の燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１１，１２間に、集電板１３，１４及び燃料電池ユニットＡ１を複数積層させ、かつ、それらのエンドプレート１１，１２により、それら燃料電池ユニットＡ１どうしを挟圧するようにして締結板１５，１６及び補強板１７，１７によって締結した構成のものである。なお、１８で示すものはボルト、１９で示すものはスペーサである。

燃料電池ユニットＡ１は、二種類の発電用ガスを流接させることにより発電する膜電極接合体３０とセパレータ４０，４１との間に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路Ｓ１，Ｓ２（図４参照）を区画形成したものである。
「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。

膜電極接合体３０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を、アノード電極とカソード電極（いずれも図示しない）により挟持した構造を有しており、樹脂製の枠体（以下、「フレーム」という。）２０（図２参照）の中央部に配設されている。

上記の膜電極接合体３０は、図４に示すガス流通路Ｓ１を流通する水素含有ガスがアノードに流接し、かつ、同図に示すガス流通路Ｓ２を流通する酸素含有ガスがカソードに流接することにより発電を行なう。

図３に示すように、燃料電池ユニットＡ１の両側方には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｈがそれぞれ形成されている。
一側方のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）のものであり、図２に示す積層方向αにそれぞれの流路を形成している。

他側方のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）のものであり、図２に示す積層方向αにそれぞれの流通路を形成している。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。

フレーム２０は、例えば射出成形によって上記した膜電極接合体３０と一体的に形成されており、本実施形態においては、積層方向αから見た正面視において横長方形にしている。
セパレータ４０，４１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、フレーム２０と同形同大にして形成されている。

上記の構成からなる燃料電池ユニットＡ１では、フレーム２０の一側方から他側方又は他側方から一側方に水素含有ガス又は酸素含有ガスが流通する。すなわち、発電用ガスは、β方向において流通するようになっている。

上記の膜電極接合体３０及び両セパレータ４０，４１は、これらの周縁にシーリングを施して液密的に接合されることにより燃料電池ユニットＡ１を構成している。
互いに積層した燃料電池ユニットＡ１，Ａ１間には、それら燃料電池ユニットＡ１，Ａ１のセパレータ４０，４１どうしを液密的に接合して、その間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路Ｓ３が形成されている（図４参照）。
また、フレーム２０及びセパレータ４０，４１それぞれのマニホールドＨが互いに連通して、燃料電池ユニットＡ１の積層方向におけるガス流通路が形成されるようになっている。

図５（Ａ）は、ガス流通路に配設する一例に係る変位吸収部材の斜視図、（Ｂ）は、その側面図、図６（Ａ）は、冷却流体流通路に配設する一例に係る変位吸収部材の斜視図、（Ｂ）は、その側面図である。

本実施形態においては、膜電極接合体３０とセパレータ４０，４１との間に区画形成されているガス流通路Ｓ１，Ｓ２に一例に係る変位吸収部材Ｂ，Ｂを配設し、かつ、隣接する燃料電池ユニットＡ１，Ａ１間に区画形成されている冷却流体流通路Ｓ３に変位吸収部材Ｃを介装している。

変位吸収部材Ｂ，Ｂは、互いに同一の構造のものであるので、以下には、ガス流通路Ｓ１に配設したものについて説明し、ガス流通路Ｓ２に配設したものについては、同一の符号を付して説明を省略する。

変位吸収部材Ｂは、図５に示すように、上記したガス流通路Ｓ１を流通する発電用ガスのガス流通方向βに沿う弾性突起列Ｂ１〜Ｂ５を、そのガス流通方向βに直交する方向γにおいて互いに所定の間隔をおいて複数列設してなるものである。
なお、本実施形態においては、説明の簡略化のために、Ｂ１〜Ｂ５で示す５つの弾性突起列を例として示している。

各弾性突起列Ｂ１〜Ｂ５は、ガス流通方向βにおいて互いに一定の間隔で配列された複数の弾性突起５０からなり、それらは、導電性の金属板からなる基板５１に一体に形成している。

弾性突起５０は、ガス流通路Ｓ１内を流通する発電用ガスのガス流通方向βと平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。
この弾性突起５０は、ガス流通方向βから見たときに縦長方形に、かつ、ガス流通方向βと直交する方向から見たときに穏やかなＳ字形にして、基板５１から切り起こすことにより一体で形成されている。
具体的には、弾性突起５０の上下半部がそれぞれ所要曲率の円弧形に成形した穏やかなＳ字形に形成されている。

なお、基板５１を膜電極接合体３０側に配置した場合、上記弾性突起５０は、これの鈍角をなす板面部５０ａ（図５（Ｂ）参照）をガス流通方向βの上流側に向けて配列する。
具体的には、基板５１の開口５１ａであってガス流通方向βの上流側辺縁５１ｂから、その開口５１ａの当該下流側辺縁５１cに向けて傾けられている。
また、基板５１をセパレータ４０、４１側に配置した場合として、上記弾性突起５０は、これの鋭角をなす板面部５０ａ（図５（Ｂ）参照）をガス流通方向βの上流側に向けて配列している。具体的には、基板５１の開口５１ａであってガス流通方向βの下流側辺縁５１ｂから、その開口５１ａの当該上流側辺縁５１ｃに向けて傾けられている。

上記した弾性突起５０は、打ち抜き加工等の切断加工や、エッジング加工等のように材料の除去を伴う加工により縁取りした部分を折り曲げることにより微細構造に形成することができ、また、開口５１ａが通気孔として機能する。また、通気を促進するため、基板５１に微細な孔加工を施してよい。

上記の変位吸収部材Ｂは、図４に示すように、基板５１を膜電極接合体３０に当接させ、かつ、弾性突起５０の開放端５０ｂをセパレータ４０（４１）に当接した状態で、膜電極接合体３０とセパレータ４０（４１）との間に区画形成されるガス流通路Ｓ１（Ｓ２）に配設されている。
この場合、発電用ガスは、変位吸収部材Ｂの各開口５１ａを通じて膜電極接合体３０に供給されるようになっている。

次に、変位吸収部材Ｃについて説明する。
変位吸収部材Ｃは、図４に示すように、隣り合う燃料電池ユニットＡ１，Ａ１のセパレータ４０，４１間に形成された上記冷却流体流通路Ｓ３に配設されている。

変位吸収部材Ｃは、図６に示すように、上記の冷却流体流通路Ｓ３を流通する冷却流体の流体流通方向βに沿う弾性突起列Ｃ１〜Ｃ５を、その流体流通方向βと直交する方向に互いに所定の間隔をおいて複数列設してなるものである。
「冷却流体」は、例えば水である。
なお、本実施形態においては、説明の簡略化のために、Ｃ１〜Ｃ５で示す５つの弾性突起列を例として示している。

各弾性突起列Ｃ１〜Ｃ５は、流体流通方向βにおいて互いに一定の間隔で配列された複数の弾性突起６０，６１からなる。
本実施形態において示す弾性突起６０，６１は、それぞれ導電性の金属板からなる基板６２に一体に形成している。

弾性突起６０，６１は、互いに同形同大の板状体にして形成されており、その板厚面６０ａ，６１ａを流体流通方向βと直交させて配列しているとともに、その流体流通方向βと直交する方向から見たときに穏やかなＳ字形にして、かつ、流体流通方向βから見たときに縦長方形にして、基板６２から切り起こすことにより一体に形成されている。
要約換言すると、弾性突起６０，６１の板厚面を流体流通方向βと直角にして配列している。

具体的には、弾性突起６０，６１の上下半部がそれぞれ所要曲率の円弧形に成形した穏やかなＳ字形に形成されている。
上記した「一定の間隔」は、それら弾性突起６０，６１の幅Ｗ１以上にしているが、これに限るものではない。

上記弾性突起６０，６１は、流体流通方向βと交差する平面において互いに交わる向きに傾けられている。
具体的には、弾性突起６０は、基板６２の開口６２ａの一側辺縁６２ｂから、その開口６２ａの他側辺縁６２ｃに向けて傾けられている一方、弾性突起６１は、当該開口６２ａの他側辺縁６２ｃから、その開口６２ａの一側辺縁６２ｂに向けて傾けられている。
そして、本実施形態においては、図６に示すように、流体流通方向βにおいて交互に配列し、かつ、同図（Ｂ）に示すように、当該弾性突起６０，６１どうしを互いの全長Ｌのほぼ中央部位で交差させている。

これらの弾性突起６０，６１は、上記した弾性突起５０と同様に、打ち抜き加工等の切断加工や、エッジング加工等のように材料の除去を伴う加工により縁取りした部分を折り曲げることにより微細構造に形成することができる。

上記の変位吸収部材Ｃは、図４に示すように、それの基板６２を隣接する燃料電池ユニットＡ１，Ａ１のいずれか一方のセパレータ４１（４０）に当接させ、かつ、弾性突起６０，６１の開放端６０ａ，６１ａを、他方のセパレータ４０（４１）に当接した状態で、冷却流体流通路Ｓ３に配設されている。

上述した一実施形態に係る燃料電池スタック１０によれば、次の効果を得ることができる。
・弾性突起を、これの基板から切り起こして一体に形成することにより、突起部分を別に形成してから接合するなどの工程が不要で簡便に製造できる。また、接合部等が無いために、接合により形成する場合に比べて弾性突起が基板と接する辺縁部の強度確保がしやすく信頼性の向上を図ることができる。
・ガス流通路内に乱れを生じさせることによりガス拡散性を向上させ、これにより発電効率を向上させることができる。

・基板を膜電極接合体側に配置して、弾性突起を、これの鈍角をなす板面部をガス流通方向の上流側に向けて配列したときには、膜電極接合体の触媒層近傍の発電用ガスの流通速度増加させるとともに、排水性の向上を図ることができ、ガス拡散距離を低減させることができる。これにより、燃料電池の効率を向上させられる。

図７は、一例に係る変位吸収部材の弾性突起を、これの鈍角をなす板厚面をガス流体流通方向と直角に向けて配列した形態において、ガス流体の流通速度と距離との関係を示すグラフ、図８は、冷却流体の断面における流速分布の説明図である。また、図９は、本願発明と従来例との圧力損失を比較したグラフ、図１０は、変位吸収部材間の間隔と、単位長さあたりの冷却流体圧力損失との関係を示すグラフである。なお、図７においては、本実施形態を（ア）で示し、従来の形態を（イ）で示している。

図８は、図４に示す冷却流体流通路Ｓ３に空間における冷却流体の流速分布を表したものであり、冷却性能がもっとも厳しい定格条件における計算結果を示している。
ここでは、計算流体力学（ＣＦＤ）という計算方法（シーディー・アダプコ・ジャパン製 STAR-CD）という計算ソフトを用いて実施し、図８においては緑色から赤色になるに従って流速が高いことを示している。

弾性突起をガス流体流通路に配置した場合、図７に示すように、ガス流体の流れを偏流することができる。一方、冷却流体流通路に配置した場合を図８に示すが、図から明らかなように流れを整流でき、流れの有効面積を増やすことができる。その結果、図９に示すように、従来例に比べ冷却流体の圧力損失を低減できる。

すなわち、図８から明らかなように、冷却流体の流れ方向に対して、交差するように配置されたばねによって区画形成した空間内で、流速分布は空間内に大きく広がる楕円状を示している。さらに、特に流速が高い範囲を示す赤色の範囲が楕円状に最も大きく広がっていることから、ばねによって形成された空間内では圧力損失が大きく低減させて整流されていると推定する。

また、図１０から明らかなように、変位吸収部材間の距離が板幅より概略大きくなるところで、冷却流体の圧力損失を低減させる効果が顕著になる。なお、図９において「異方向」と記しているものが本願の形態に係るものであり、「同方向」と記しているものが従来の形態に係るものである。

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。
上述した実施形態においては、弾性突起の板厚面を流体流通方向に直角に向けて配列した例について説明したが、互いに交わる向きに傾けた弾性突起を上記冷却流体流通路に配設した構成であればよい。

３０膜電極接合体
４０，４１セパレータ
５０弾性突起
６０ａ，６１ａ板厚面
Ｃ変位吸収部材
Ｓ１，Ｓ２ガス流通路
Ｓ３冷却流体流通路
β 流体流通方向

Claims

膜電極接合体との間にガス流通路を区画形成するセパレータを有するとともに、隣り合うセパレータ間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路を形成しており、
上記冷却流体流通路に変位吸収部材が配設され、
上記変位吸収部材が、板状体として形成された複数の弾性突起を備え、
上記板状体が、板厚面を流体流通方向に直角に向け、かつ傾いたものであり、
上記弾性突起が、流体流通方向に一定の間隔で上記傾きが互いに交わる向きに複数配列されて弾性突起列を成し、
上記弾性突起列が、流体流通方向と直交する方向に所定の間隔で複数列設していることを特徴とする燃料電池スタック。
当該弾性突起どうしが、互いの全長の中央部位で交わっている請求項１に記載の燃料電池スタック。
当該弾性突起列をなす弾性突起の流体流通方向における間隔を、それら弾性突起の流体流通方向における幅以上の間隔にしている請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
上記ガス流通路に配設され、そのガス流通路内を流通する発電用ガスのガス流通方向と平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、板状体にした弾性突起を複数設けた変位吸収部材とを有し、この弾性突起の板面部をガス流通方向に向けて配列している請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。