JP5935778B2 - ダミーセル及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに用いられるダミーセル及びダミーセルを有する燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックとして、発電機能を有する発電セルの他に、発電機能を有さないダミーセルを備えたものが知られている（特許文献１）。

特開２００８−１３０３５０号公報

燃料電池スタックの製造においては、先ず発電セルとダミーセルとを製造し、その後、発電セルとダミーセルを組み付ける。発電セルとダミーセルの部品の共通化を行うと、製造コストを下げることが可能となるが、発電セルとダミーセルの外観形状が類似し、発電セルとダミーセルとが混同されるおそれがあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池スタックに用いられる発電を行わないダミーセルが提供される。このダミーセルの外観は、前記ダミーセルの外観は、前記燃料電池スタックに用いられ発電を行う発電セルの外観と共通する外観を呈する共通外観部と、前記発電セルの外観とは異なる外観を呈する非共通外観部とを有し、前記非共通外観部は、前記発電セルと前記ダミーセルとを積層して燃料電池スタックを構成した状態において外部から視認可能な位置に設けられている。
この形態によれば、ダミーセルの外観は、一部を除き、前記燃料電池スタックに用いられ発電を行う前記発電セルの外観と共通する共通外観部を有するので、共通の製造工程でダミーセルと発電セルを製造できる。さらに、前記ダミーセルは、発電セルと外観の異なる非共通外観部を有するので、ダミーセルと、発電セルとを区別することが可能となる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックに用いられる発電を行わないダミーセルが提供される。この前記ダミーセルの外観は、前記燃料電池スタックに用いられ発電を行う前記発電セルの外観と共通する外観を呈する共通外観部と、前記発電セルの外観とは異なる外観を呈する非共通外観部とを有している。この形態のダミーセルによれば、ダミーセルの外観は、一部を除き、前記燃料電池スタックに用いられ発電を行う前記発電セルの外観と共通する共通外観部を有するので、共通の製造工程でダミーセルと発電セルを製造できる。さらに、前記ダミーセルは、発電セルと外観の異なる非共通外観部を有するので、ダミーセルと、発電セルとを区別することが可能となる。

（２）上記形態のダミーセルにおいて、前記非共通外観部は、前記発電セルと前記ダミーセルとを積層して燃料電池スタックを構成した状態において外部から視認可能な位置に設けられていてもよい。この形態のダミーセルによれば、積層体を組み付けた後であっても、ダミーセルと、発電セルとを見分けて、誤組み付けの発見が容易となる。

（３）上記形態のダミーセルにおいて、前記非共通外観部は、色と形状の少なくとも一方が前記発電セルと異なっていてもよい。この形態のダミーセルによれば、発電セルとダミーセルとを容易に区別できる。積層して燃料電池スタックに組み付けた後でも発電セルと、ダミーセルとを区別できるので、誤組み付けの発見が容易となる。

（４）上記形態のダミーセルにおいて、前記発電セルは、膜電極接合体を有するとともに、前記膜電極接合体の外縁をゴム又は樹脂で囲うフレームを有する発電部と、前記発電部を挟持するセパレータープレートと、を有し、前記ダミーセルは、膜電極接合体を有さずに導電性部材を有するとともに、前記導電性部材の外縁をゴム又は樹脂で囲うフレームを有する非発電部と、前記発電セルのセパレータープレートと同一の形状を有し、前記非発電部を挟持するセパレータープレートと、を有し、前記非共通外観部分は、前記ダミーセルの前記フレームの一部であってもよい。この形態のダミーセルによれば、発電セルのフレームと、ダミーセルのフレームの形状とを異ならせるだけであり、新たな部品を設ける必要が無い。

（５）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、積層された複数の発電セルを有する第１の積層体と、前記第１の積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に設けられた請求項１〜４のいずれか一項に記載のダミーセルと、前記複数の発電セル及び前記ダミーセルが積層された第２の積層体の両端に設けられたターミナルプレートと、を備える。この形態の燃料電池スタックによれば、発電セルとダミーセルとを外観上区別できるので、誤組み付けの発見が容易となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、ダミーセルの他、燃料電池スタック、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの構成を示す模式的に示す概略図である。 発電セルとダミーセルの断面を模式的に示す説明図である。 第１のセパレータープレートの側から１つのセルを観察した状態を模式的に示す平面図である。 図３の一部を拡大して示す説明図である。

第１の実施形態：
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの構成を示す模式的に示す概略図である。以下に説明する燃料電池スタック１０の各部材には、貫通孔、溝などが形成されているが、図１では貫通孔、溝などについては図示を省略し、略直方体として記載している。燃料電池スタック１０は、発電セル１００と、ダミーセル２００と、ターミナルプレート３００、３１０と、インシュレータープレート３２０と、プレッシャープレート３３０と、エンドプレート３４０と、テンションシャフト３５０と、を備える。発電セル１００は複数有り、複数の発電セル１００は、積層されて第１の積層体１０５を形成している。積層体１０５の積層方向の両側には、ダミーセル２００が配置されて第２の積層体１０７を形成している。なお、ダミーセル２００は、第１の積層体１０５の積層方向のいずれか一方にのみ配置される構成であっても良い。また、図１では、ダミーセル２００は、第１の積層体１０５の積層方向の両側にそれぞれ１個ずつ配置されているが、第１の積層体１０５の積層方向の両側の少なくとも一方は、複数のダミーセル２００が配置されても良い。また、第１の積層体１０５の複数の発電セルのうち、一部の発電セル１００をダミーセル２００に置換して、２つの発電セル１００の間に１又は複数のダミーセルが挿入される構成であってもよい。ダミーセル２００の積層方向の外側には、それぞれターミナルプレート３００、３１０が配置されている。ターミナルプレート３００、３１０は、発電セル１００が発生させた電圧、電流を外部に取り出すために用いられる。ターミナルプレート３００の積層方向の外側には、インシュレータープレート３２０と、プレッシャープレートがこの順に配置されている。インシュレータープレート３２０は、ターミナルプレート３００と、プレッシャープレートと３３０との間を電気的に絶縁する。ターミナルプレート３１０の積層方向の外側には、エンドプレート３４０が配置されている。テンションシャフト３５０は、プレッシャープレート３３０とエンドプレート３４０との間を所定の力で締結する。燃料電池スタック１０は、テンションシャフト３５０で締結された後、底カバー３６０と、図示しない上カバーに覆われる。なお、底カバー３６０と、燃料電池スタック１０との間には、絶縁シート３７０が配置される。

図２は、発電セル１００と、ダミーセル２００の断面を模式的に示す説明図である。発電セル１００は、膜電極接合体１１０と、第１のガス拡散層１２４と、第２のガス拡散層１２６と、第１のセパレータープレート１３４と、第２のセパレータープレート１３６と、ゴムフレーム１４０と、シールライン１５０と、を備える。膜電極接合体１１０は、電解質膜１１２と、第１の触媒層１１４と、第２の触媒層１１６と、を備える。電解質膜１１２は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜により形成されている。第１の触媒層１１４と第２の触媒層１１６は、電解質膜１１２の各面にそれぞれ形成されている。本実施形態では、第１の触媒層１１４と第２の触媒層１１６は、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を担持した触媒担持粒子（例えばカーボン粒子）と電解質（アイオノマ）によって形成されている。膜電極接合体１１０の外縁は、ゴムフレーム１４０により支持されている。

膜電極接合体１１０の両面には、第１のガス拡散層１２４と、第２のガス拡散層１２６と、が配置される。第１のガス拡散層１２４と、第２のガス拡散層１２６は、導電性を有し、反応ガスを透過、拡散させることが出来る部材であれば良く、本実施形態では、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いて、第１のガス拡散層１２４と、第２のガス拡散層１２６を形成している。本実施形態では、第１のガス拡散層１２４と、第２のガス拡散層１２６として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いたが、エキスパンドメタルを用いた反応ガス流路、あるいは、金属多孔体で構成された反応ガス流路を用いても良い。

第１のガス拡散層１２４と、第２のガス拡散層１２６の外側には、それぞれ、第１のセパレータープレート１３４と、第２のセパレータープレート１３６とが配置されている。第１のセパレータープレート１３４と、第２のセパレータープレート１３６の外縁の大きさは、ゴムフレーム１４０の外縁の大きさとほぼ同じである。第１のセパレータープレート１３４、第２のセパレータープレート１３６と、ゴムフレーム１４０との間には、それぞれシールライン１５０が配置されている。シールライン１５０は、反応ガスの漏れを抑制する。シールライン１５０はゴムフレーム１４０と一体に形成されていても良く、あるいは、シールライン１５０としてＯリングを用いても良い。

次に、ダミーセル２００の構成について説明する。ダミーセル２００を設けると、発電セル１００からの放熱環境をすべての発電セル１００でほぼ均等にできるため、発電セル１００間の熱バランスを良く出来る。ダミーセル２００の形状は、各発電セル１００の面圧バランスをよくするために、発電セルと近似した形状であることが好ましい。また、製造コストを考慮した場合、ダミーセル２００と、発電セル１００とで部品の共通化を実現できれば、製造コストを低減することもできる。ダミーセル２００の構成部材のうち、発電セル１００と同一の部材には、発電セル１００の符号に１００を加えた数字の符号を付している。本実施形態では、ダミーセル２００の構成は、発電セル１００の構成とほぼ同じ構成としている。ただし、ダミーセル２００は膜電極接合体１１０を備えておらず、その空間をガス拡散層２２４，２２６が埋めている、という点が異なっている。ダミーセル２００のゴムフレーム２４０の中央部は開口しており、第１のガス拡散層２２４と、第２のガス拡散層２２６とが接触するように配置されている。第１のガス拡散層２２４と、第２のガス拡散層２２６とにより、ダミーセル２００の第１のセパレータープレート２３４と、第２のセパレータープレート２３６との間を電気的に導通させている。なお、ガス拡散層２２４，２２６の代わりに、他の種類の導電性部材を設けるようにしてもよい。この導電性部材としては、燃料電池発電性能を有さないものを使用することが好ましい。

また、ダミーセル２００は、第１のガス拡散層２２４と、第２のガス拡散層２２６とに、反応ガスを流さないように構成されていることが好ましい。発電セル１００では、第１のセパレータープレート１３４と、ゴムフレーム１４０との間に、第１のマニホールドと第１のガス拡散層１２４とを連通する連通孔（図示せず）が設けられ、第２のセパレータープレート１３６と、ゴムフレーム１４０との間に、第２のマニホールドと第２のガス拡散層１２６とを連通する連通孔が設けられている。一方、ダミーセル２００では、反応ガスが第１のマニホールドから第１のガス拡散層２２４へ流れないように、あるいは、第２のマニホールドから第２のガス拡散層２２６へ流れないように、これらの連通孔が、例えばゴムにより埋められている。

２つの発電セル１００の間には冷媒流路１６０が形成され、発電セル１００とダミーセル２００との間には、冷媒流路１６２が形成されている。２つの発電セル１００の間の冷媒流路１６０は、発電セル１００の第１のセパレータープレート１３４の外側に形成された溝（図示せず）と、発電セル１００の第２のセパレータープレート１３６の外側に形成された溝（図示せず）により形成されている。発電セル１００とダミーセル２００との間の冷媒流路１６２は、ダミーセル２００の第１のセパレータープレート２３４の外側に形成された溝（図示せず）と、発電セル１００の第２のセパレータープレート１３６の外側に形成された溝（図示せず）により形成されている。２つの発電セル１００の間、及び、発電セル１００とダミーセル２００との間には、シールライン１５２が配置されており、冷媒の漏れを抑制している。シールライン１５２は、例えば、Ｏリングにより形成されていても良い。ダミーセル２００は、ターミナルプレート３００と隣接している。

図３は、第１のセパレータープレート１３４の側から１つのセルを観察した状態を模式的に示す平面図である。なお、発電セル１００の第１のセパレータープレート１３４と、ダミーセル２００の第１のセパレータープレート２３４の形状は同じである。図３の括弧内の符号は、ダミーセル２００用の部材の符号を示している。第１のセパレータープレート１３４（２３４）は、略長方形をした部材であり、外縁に複数種の開口部１３４１〜１３４６（２３４１〜２３４６）を備える。これら複数種の開口部１３４１〜１３４６と同様の開口部が、第２のセパレータープレート１３６及びゴムフレーム２４０、発電セル１００の２つのセパレータープレート１３４、１３６及びゴムフレーム１４０にも形成されている。これらの開口部は、発電セル１００とダミーセル２００とが積層されたときに連結して、それぞれ燃料ガスの供給用、排出用のマニホールド、酸化剤ガスの供給用、排出用のマニホールド、冷媒の供給用、排出用のマニホールド、を形成する。シールライン２５０は、これらの開口部１３４１〜１３４６を囲うように配置されている。

図４は、図３の一部（破線部）を拡大して示す説明図である。本実施形態では、第１のセパレータープレート１３４の四隅に、切り欠き部１３４ｃが形成されている。切欠部１３４ｃからは、発電セル１００のゴムフレーム１４０の一部１４５がはみ出ている。発電セル１００のセパレータープレート１３４と、ダミーセル２００のセパレータープレート２３４の形状はほぼ同じである。一方、切り欠き部１３４ｃからはみ出ている発電セル１００のゴムフレーム１４０の形状と、ダミーセル２００のゴムフレーム２４０の形状とが、一部異なっている。すなわち、図４に示すように、発電セル１００のゴムフレーム１４０が第１のセパレータープレート１３４からはみ出た突出部分１４５の形状と、ダミーセル２００のゴムフレーム２４０が第１のセパレータープレート２３４からはみ出た突出部分２４５の形状と、が異なっている。したがって、発電セル１００と、ダミーセル２００とを組み上げた後であっても、突出部分１４５と突出部分２４５の形状の違いから、発電セル１００と、ダミーセル２００とを外観上区別することが可能となる。すなわち、ダミーセル２００のゴムフレーム２４０の突出部分２４５は、発電セル１００の対応する部分１４５の形状と異なる外観を呈する非共通外観部に相当する。この非共通外観部以外の部分は、発電セル１００と、ダミーセル２００とで共通の外観を呈する共通外観部に相当する。ここで、共通外観部は、発電セル１００のセパレータ−プレート１３４、１３６の厚みと、ダミーセル２００のセパレータープレート２３４、２３６の厚みであってもよい。この場合、共通の鋼板から発電セル１００用のセパレータープレート１３４、１３６と、ダミーセル２００用のセパレータープレート２３４、２３６を作製することが可能である。また、発電セル１００と、ダミーセル２００とは、膜電極接合体１１０の有無を除けば、ゴムフレーム１４０、２４０の形状がわずかに異なるだけなので、新たな部品は不要であり、さらに、同一の製造装置を用いて製造が可能である。したがって、製造コストを低減することができる。

本実施形態では、ゴムフレーム１４０の形状と、ゴムフレーム２４０の形状とが、異なっている部分は、第１のセパレータープレート１３４、２３４の隅の切り欠き部１３４ｃ、２３４ｃの位置にあるので、積層体１０５の組み立て時に、テンションシャフト３５０や、上ケースとの干渉を許容できるため、組立装置の小型化が可能である。

なお、本実施形態では、発電セル１００とダミーセル２００とで異なっている部分（非共通外観部）は、第１のセパレータープレート１３４、２３４の隅の切り欠き部１３４ｃ、２３４ｃにおけるゴムフレーム１４０，２４０の形状にあるとしたが、視認できる位置であれば、どこに有っても良い。また、発電セル１００と、ダミーセル２００とは、通常、積層前に部材を確認されることから、異なっている部分は、積層後に隠れて外部より視認できない場所に有っても良く、積層後においても外部より視認可能な場所にあっても良い。本実施形態において、ダミーセル２００と発電セル１００とは、いずれも４辺を有する矩形形状を有している。ここで、ダミーセル２００の３辺の形状を、発電セル１００の３辺の形状と同一しても良い。発電セル１００とダミーセル２００とが組みあがったとき、ダミーセル２００の３辺の形状と、発電セル１００の３辺の形状は、外観上同じ形状である。その結果、発電セル１００とダミーセル２００とを積層して第２の積層体１０７を組み立てたときに、ケースへの搭載性を向上させることができる。第２の積層体１０７は、略直方体形状を有する。例えば、ダミーセル２００の大きさが発電セル２００より大きかったりすると、ダミーセル２００の部分が直方体から飛び出てしまうため、例えば、片当たりの対策等を考慮しなくてはならないが、その対策が不要となる。また、第２の積層体１０７を外部から拘束するような場合であっても３つの面については平面に出来るので、ダミーセル２００の位置や個数の影響を受けずに第２の積層体１０７を拘束可能である。

本実施形態では、ゴムフレーム１４０の形状と、ゴムフレーム２４０の形状を異ならせたが、ゴムフレーム１４０の色とゴムフレーム２４０の色を変えるなど、他の外観上視認できる要素で区別されても良い。

本実施形態では、ゴムを用いてゴムフレーム２４０を形成したが、ゴムの代わりに樹脂製のフレームであってもよい。また、ダミーセル２００用のセパレータープレート２３４（あるいはセパレータープレート２３６）の一部の形状又は色を、発電セル１００用のセパレータープレート１３４（あるいはセパレータープレート１３６）の形状又は色と、一部異ならせても良い。また、ゴムフレーム２４０の形状や色を変える代わりに、発電セル１００とダミーセル２００の製造前後のいずれかの工程において、少なくとも一方のいずれかの部材に、識別用マーク、識別ナンバー、バーコードなどの識別用標識をマーキングしても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック
１００…発電セル
１０５…第１の積層体
１０７…第２の積層体
１１０…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１４…第１の触媒層
１１６…第２の触媒層
１２４…第１のガス拡散層
１２６…第２のガス拡散層
１３４…第１のセパレータープレート
１３４ｃ…切り欠き部
１３６…第２のセパレータープレート
１４０…ゴムフレーム
１４５…突出部分
１５０，１５２…シールライン
１６０，１６２…冷媒流路
２００…ダミーセル
２２４…第１のガス拡散層
２２６…第２のガス拡散層
２３４…第１のセパレータープレート
２３４ｃ…切り欠き部
２３６…第２のセパレータープレート
２４０…ゴムフレーム
２４５…突出部分
２５０…シールライン
３００…ターミナルプレート
３１０…ターミナルプレート
３２０…インシュレータープレート
３３０…プレッシャープレート
３４０…エンドプレート
３５０…テンションシャフト
３６０…底カバー
３７０…絶縁シート
１３４１〜１３４６…開口部

Claims (4)

1. 燃料電池スタックに積層される発電を行わないダミーセルであって、
   前記ダミーセルの外観は、前記燃料電池スタックに用いられ発電を行う発電セルの外観と共通する外観を呈する共通外観部と、前記発電セルの外観とは異なる外観を呈する非共通外観部とを有し、
   前記非共通外観部は、前記発電セルと前記ダミーセルとを積層して燃料電池スタックを構成した状態において外部から視認可能な位置に設けられている、ダミーセル。
2. 請求項１に記載のダミーセルにおいて、
   前記非共通外観部は、色と形状の少なくとも一方が前記発電セルと異なる、ダミーセル。
3. 請求項１または２に記載のダミーセルにおいて、
   前記発電セルは、
   膜電極接合体を有するとともに、前記膜電極接合体の外縁をゴム又は樹脂で囲うフレームを有する発電部と、
   前記発電部を挟持するセパレータープレートと、
   を有し、
   前記ダミーセルは、
   膜電極接合体を有さずに導電性部材を有するとともに、前記導電性部材の外縁をゴム又は樹脂で囲うフレームを有する非発電部と、
   前記発電セルのセパレータープレートと同一の形状を有し、前記非発電部を挟持するセパレータープレートと、
   を有し、
   前記非共通外観部は、前記ダミーセルの前記フレームの一部である、ダミーセル。
4. 燃料電池スタックであって、
   積層された複数の発電セルを有する第１の積層体と、
   前記第１の積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に設けられた請求項１〜３のいずれか一項に記載のダミーセルと、
   前記複数の発電セル及び前記ダミーセルが積層された第２の積層体の両端に設けられたターミナルプレートと、
   を備える、燃料電池スタック。

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