JP5979174B2 - 燃料電池および燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１には、燃料電池のセパレータプレートが記載されている。このセパレータプレートは、シール突部を有する金属薄板で形成されている。そのシール突部には、高分子弾性層が設けられ高分子弾性層が高分子膜に当接してシールしている。

特開２００６−５４０５８号公報

セパレータプレートが伸びの大きな材料（例えばチタン、ＳＵＳ、アルミニウム等）で形成されている場合、シール突部の変形により、セパレータプレート、ＭＥＡ等の厚み公差の吸収が可能であるが、シール部の圧力を大きな値に維持し難いおそれがあった。

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。本発明の一実施形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を外縁から支持するフレームと、前記膜電極接合体と前記フレームとを挟持する一対のセパレータプレートと、を備え、前記一対のセパレータプレートのうちの第１のセパレータプレートは、前記フレームと反対側に突出する弾性変形可能な凸状突起部を有し、前記フレームは、前記第１のセパレータプレートの前記凸状突起部の裏側に凹形状の空隙部を有し、前記空隙部の少なくとも一部に、弾性材が配置されており、前記弾性材は、前記第１のセパレータプレート、または、前記空隙部の底を形成する前記フレームの表面部分のうちのいずれか一方と接触しているとともに他方と接触しておらず、前記凸状突起部の頂部、または、前記第１のセパレータプレートとは異なる第２のセパレータプレートの前記凸状突起部と反対側の部分にゴムシートが設けられている。この形態によれば、複数の燃料電池を圧縮して締結するとき、第１のセパレータプレートの凸状突起部の弾性変形による反力に加えて、弾性材による反力が加わるため、燃料電池間のシールラインの線圧（シール圧）を大きくできる。

（１）本発明の一実施形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を外縁から支持するフレームと、前記膜電極接合体と前記フレームとを挟持する一対のセパレータプレートと、を備え、前記一対のセパレータプレートのうちの第１のセパレータプレートは、前記フレームと反対側に突出する弾性変形可能な凸状突起部を有し、前記フレームは、前記第１のセパレータプレートの前記凸状突起部の裏側に凹形状の空隙部を有し、前記空隙部の少なくとも一部に弾性材を配置している。この形態によれば、セパレータプレートの凸状突起部の弾性変形による反力に加えて、弾性材による反力が加わるため、燃料電池間のシールラインの線圧（シール圧）を大きく出来る。

（２）上記形態の燃料電池において、前記弾性材は、ゴム材またはウレタン材であってもよい。この形態によれば、必要な弾性を有する弾性材を低コストで準備できる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記弾性材は、前記空隙部の凹形状の底に設けられていてもよい。この形態によれば、セパレータプレートが弾性材に接するまでの線圧（シール圧）の低い領域で、セパレータプレート、フレームの製造公差によるバラツキを吸収でき、セパレータプレートが弾性材に接触した後の線圧（シール圧）の高い領域（弾性材反力発生領域）において必要な線圧（シール圧）を確保できる。

（４）上記形態の燃料電池において、前記第１のセパレータプレートが外力により変形していない状態で、前記弾性材は、前記第１のセパレータプレートと前記フレームとの両方に接していてもよい。この形態によれば、燃料電池スタックを形成するときの圧縮において、全領域で線圧（シール圧）を大きく出来る。

（５）上記形態の燃料電池において、前記弾性材は、前記空隙部の凹形状の側面部に設けられていてもよい。この形態によれば、フレームの空隙の側面に掛かる応力を緩和できる。

（６）上記形態の燃料電池において、前記弾性材は、前記空隙部の前記第１のセパレータプレート側に設けられていてもよい。この形態によれば、凸状突起部への応力を緩和できる。

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、燃料電池の他、燃料電池用フレーム等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。 第１のセパレータプレートを示す説明図である。 フレームと膜電極接合体とを示す説明図である。 燃料電池のシールラインの断面を示す説明図である。 燃料電池を積層し積層方向に少し圧縮された状態を示す説明図である。 燃料電池を図５に示す状態からさらに積層方向に圧縮された状態を示す説明図である。 弾性材がある場合と無い場合において燃料電池スタックの締結時における圧縮量（ストローク）と線圧（シール圧）との関係を比較する説明図である。 第２の実施形態の燃料電池のシールラインの断面を示す説明図である。 第２の実施形態における圧縮量（ストローク）と線圧（シール圧）との関係を示す説明図である。 第３の実施形態の燃料電池のシールラインの断面を示す説明図である。 第４の実施形態の燃料電池のシールラインの断面を示す説明図である。

第１の実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の外観を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１０は、燃料電池１００（「単セル」とも呼ぶ）と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０、２４０と、を備える。燃料電池１００は、フレーム１４０と、一対のセパレータプレート（第１のセパレータプレート１５０と、第２のセパレータプレート１６０）と、を備える。フレーム１４０は、樹脂で形成された額縁状の部材であり、内側に膜電極接合体（ＭＥＡ）を有している。第１のセパレータプレート１５０と、第２のセパレータプレート１６０とは、フレーム１４０を挟持している。燃料電池１００は、複数有り、積層されている。ターミナルプレート２００、２１０は、積層された燃料電池１００の両側にそれぞれ配置されており、燃料電池１００からの電圧、電流を取り出すために用いられる。絶縁プレート２２０は、ターミナルプレート２００の外側に配置されている。なお、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０が搭載される車両のボディとの固定場所によっては、ターミナルプレート２１０の外側に絶縁プレートを配置する構成であってもよい。エンドプレート２３０、２４０は、燃料電池１００と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、を締結するために燃料電池スタック１０の両側に配置される。

燃料電池１００と、ターミナルプレート２００と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０とは、それぞれ複数の開口部を有しており、これらの開口部が連通してマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５が形成されている。マニホールド３１０は、燃料電池１００に酸化剤ガスを供給するために用いられるので、「酸化剤ガス供給マニホールド３１０」とも呼ぶ。以下、マニホールド３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、それぞれの役割から、「酸化剤ガス排出マニホールド３１５」、「燃料ガス供給マニホールド３２０」、「燃料ガス排出マニホールド３２５」、「冷媒供給マニホールド３３０」、「冷媒排出マニホールド３３５」とも呼ぶ。

図２は、第１のセパレータプレート１５０を示す説明図である。第１のセパレータプレート１５０は、金属で形成された略長方形の板状部材である。第１のセパレータプレート１５０の対向する辺には、開口部１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６が開けられており、これらの開口部１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６は、それぞれマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５（図１）を形成するために用いられる。第１のセパレータプレート１５０は、中央部に、凹凸のある形状を有する流路形成部１５６を備える。流路形成部１５６の膜電極接合体１１０側は、反応ガスが流れる領域であり、流路形成部１５６の膜電極接合体１１０と反対側は、冷媒が流れる領域である。第１のセパレータプレート１５０は、開口部１５０１、１５０２、１５０３、１５０４をそれぞれ囲う凸状突起部１５２と、開口部１５０５と、１５０６と、流路形成部１５６を囲う凸状突起部１５２と、を備える。凸状突起部１５２は、第２のセパレータプレート１６０に押圧されてシールラインを形成する。

図３は、フレーム１４０と膜電極接合体１１０とを示す説明図である。フレーム１４０は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等により形成された略長方形の額縁形状を有している。樹脂として、フェノール樹脂やエポキシ樹脂の代わりにメラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等を用いても良い。フレーム１４０は、膜電極接合体１１０を外縁から支持している。膜電極接合体は、プロトン伝導性を有する電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された触媒層を備える。なお、膜電極接合体１１０は、触媒層の上にさらにガス拡散層を有する膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）であってもよい。フレーム１４０の対向する辺には、開口部１４０１、１４０２、１４０３、１４０４、１４０５、１４０６が開けられており、これらの開口部１４０１、１４０２、１４０３、１４０４、１４０５、１４０６は、それぞれマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５（図１）を形成するために用いられる。

フレーム１４０は、第１のセパレータプレート１５０の凸状突起部１５２に対応する位置において、第１のセパレータプレート１５０側が空隙部１４２となる凹形状の凹部１４１を備える。凹部１４１には、少なくとも一部にゴム材の弾性材１８０が配置されている。弾性材１８０は、フレーム１４０を形成する材料よりも柔らかければ良い。弾性材１８０がフレーム１４０を形成する材料よりも柔らかければ、弾性材１８０が先に変形して反力を生じさせる。弾性材１８０は、ゴム材の他、ウレタン材で形成されていてもよい。必要な弾性を有する弾性材１８０を低コストで準備できる。なお、ウレタン材としては、軟質ウレタンフォームや低反発ウレタンフォームを用いることが出来る。

図４は、燃料電池１００のシールラインの断面を示す説明図である。図４は、燃料電池１００を図２、図３の４Ａ−４Ｂ切断線で切ったときの一部の断面構造を示している。第１のセパレータプレート１５０と、第２のセパレータプレート１６０は、フレーム１４０を挟持している。第１のセパレータプレート１５０は、フレーム１４０と反対側に突出する凸状突起部１５２を備える。フレーム１４０は、凸状突起部１５２の裏側に対応する位置において、第１のセパレータプレート１５０側が凹んで空隙部１４２となっている凹部１４１を備える。凹部１４１は、底１４１ａと、側面１４１ｂとを備える。本実施形態では、弾性材１８０は、凹部１４１の底１４１ａに配置されている。フレーム１４０の第１のセパレータプレート１５０側の表面から弾性材１８０までの間隔はｈ１である。第２のセパレータプレート１６０のフレーム１４０と反対側には、ゴムシート１７０が配置されている。第１のセパレータプレート１５０の凸状突起部１５２が、ゴムシート１７０を挟んで隣接するセル（単燃料電池１００）の第２のセパレータプレート１６０に押圧されることにより、シールラインが形成される。したがって、ゴムシート１７０は、凸状突起部１５２の頂部に配置されていても良い。

図５は、燃料電池１００を積層し、積層方向に少し圧縮された状態を示す説明図である。燃料電池１００を積層して積層方向に縮めると、凸状突起部１５２がゴムシート１７０を介して隣接するセル（単燃料電池１００）の第２のセパレータプレート１６０に押圧される。このとき、第１のセパレータプレート１５０の凸状突起部１５２及び凸状突起部１５２の両側の部分は、第２のセパレータプレート１６０からの反力によって弾性変形し、フレーム１４０の空隙部１４２の方に曲がる。なお、図５に示す状態では、第１のセパレータプレート１５０は、弾性材１８０に接触していない。第１のセパレータプレート１５０が弾性材１８０に接触するまでの領域では、弾性材１８０による反力が発生していないため、この領域を「弾性材反力非発生領域」とも呼ぶ。

図６は、燃料電池１００を図５に示す状態からさらに積層方向に圧縮された状態を示す説明図である。この状態では、凸状突起部１５２の根元が弾性材１８０に接触する。そのため、第１のセパレータプレート１５０の弾性変形による反力に加えて弾性材１８０による反力が加わる。すなわち、弾性材１８０があると、同じ圧縮量（ストローク）でも、より強い反力を得ることができる。なお、第１のセパレータプレート１５０が弾性材１８０に接触した以降の領域を「弾性材反力発生領域」とも呼ぶ。

図７は、弾性材がある場合と無い場合において、燃料電池スタック１０の締結時における圧縮量（ストローク）と線圧（シール圧）との関係を比較する説明図である。圧縮量は、第１のセパレータプレート１５０の変形量に対応する。圧縮量がｈ１（図４の間隔ｈ１）までの間は、弾性材がある場合であっても、凸状突起部１５２の根元が弾性材１８０に接触しておらず、弾性材１８０からの反力を受けない。そのため、弾性材が無い場合と同様に第１のセパレータプレートはバネのように弾性変形する。この弾性変形による生じる反力により線圧（シール圧）が与えられる。この領域を、上述したように、弾性材反力非発生領域とも呼ぶ。弾性材反力非発生領域では、線圧（シール圧）は低く、シールに必要な大きさに至っていない。また、第１のセパレータプレート１５０、第２のセパレータプレート１６０、フレーム１４０の製造公差を線圧の低い領域（弾性材反力非発生領域）で吸収できる。

弾性材１８０がある場合には、圧縮量がｈ１よりも大きくなると、凸状突起部１５２の根元が弾性材１８０に接触し、弾性材１８０が変形する。この場合、第１のセパレータプレートの弾性変形による反力に、弾性材１８０の変形により生じる反力が加わるため、全体としての線圧（シール圧）は弾性変形の反力に比べて急勾配で上昇する。一方、弾性材１８０が無い場合には、圧縮量がｈ１よりも大きくなっても、圧縮量がｈ１と同等の勾配で線圧（シール圧）は上昇する。なお弾性材１８０がある場合、無い場合、いずれも、第１のセパレータプレート１５０の変形量がある大きさを超えると、弾性限界を超え塑性変形する。

弾性材１８０が無い場合には、弾性材１８０による反力が加わらないため、弾性限界を超えても、必要なシール圧を確保できない場合がある。特に、セパレータプレート１５０がヤング率の小さい材料（チタン、ＳＵＳ、アルミニウム等）で形成されている場合には、必要なシール圧を確保できない場合もある。弾性材１８０がある場合には、弾性材１８０による反力が加わるため、第１のセパレータプレート１５０の変形量が弾性限界を超える前、すなわち、第１のセパレータプレート１５０が弾性変形できる間に必要なシール圧を確保できる。

以上、本実施形態によれば、弾性変形可能な凸状突起部１５２を備える第１のセパレータプレート１５０と、凹部１４１（空隙部１４２）を有するフレーム１４０と、凹部１４１の底１４１ａに配置された弾性材１８０と、を備えているので、線圧（シール圧）の低い領域（弾性材反力非発生領域）において、製造公差によるバラツキを吸収し、線圧（シール圧）の高い領域（弾性材反力発生領域）において必要な線圧（シール圧）を確保できる。

また、本実施形態によれば、燃料電池１００の積層時に、第１のセパレータプレート１５０がｈ１以上変形すると、弾性材１８０の反力が加わる。その結果、同じ変形量であっても、第１のセパレータプレート１５０の弾性変形により得られる線圧（シール圧）を大きく出来る。また、第１のセパレータプレート１５０が塑性変形する前に、必要な線圧（シール圧）を確保できる。

第２の実施形態：
図８は、第２の実施形態の燃料電池１００のシールラインの断面を示す説明図である。第１の実施形態では、弾性材１８０が凹部１４１の底１４１ａに配置されているが、第２の実施形態では、弾性材１８０は、空隙部１４２の全部を埋めている。この形態の場合、燃料電池スタックを形成するときの圧縮において、圧縮量（ストローク）の全領域で線圧（シール圧）を大きく出来る。

図９は、第２の実施形態における圧縮量（ストローク）と線圧（シール圧）との関係を示す説明図である。図９から明らかなように、圧縮量（ストローク）の全領域で線圧（シール圧）が大きくなっている。

なお、図８では、弾性材１８０は、空隙部１４２の全部を埋めているが、空隙部１４２の全部を埋めていなくても、燃料電池スタック１０の締結のための外力が掛かっていない状態で、弾性材１８０が、第１のセパレータプレート１５０と、フレーム１４０の両方に接触していれば良い。この場合でも、圧縮量（ストローク）の全領域で線圧（シール圧）を大きくできる。

第３の実施形態：
図１０は、第３の実施形態の燃料電池１００のシールラインの断面を示す説明図である。第１の実施形態では、弾性材１８０が凹部１４１の底１４１ａに配置されているが、第３の実施形態では、弾性材１８０は、凹部１４１の側面１４１ｂに沿って配置されている。側面１４１ｂのフレーム１４０側１４１ｃは、第１のセパレータプレート１５０の変形により応力が集中しやすい。本実施形態では、弾性材１８０を凹部１４１の側面１４１ｂに沿って配置することで、側面１４１ｂのフレーム１４０側のフレーム側面部１４１ｃに掛かる応力を緩和する。また、第３の実施形態では、第２実施形態ほどでは無いが、弾性材１８０による反力が加わるため、燃料電池スタック１０を形成するときの圧縮において、圧縮量（ストローク）の全領域で線圧（シール圧）を大きく出来る。

第４の実施形態：
図１１は、第４の実施形態の燃料電池１００のシールラインの断面を示す説明図である。第１の実施形態では、弾性材１８０が凹部１４１の底１４１ａに配置されているが、第４の実施形態では、弾性材１８０は、空隙部１４２の第１のセパレータプレート１５０側に配置されている。第４の実施形態では、弾性材１８０を用いることで凸状突起部１５２への応力を緩和できる。また、第４の実施形態では、第２実施形態ほどでは無いが、弾性材１８０による反力が加わるため、圧縮量（ストローク）の全領域で線圧（シール圧）を大きく出来る。

以上、第１〜第４の実施形態で説明したように、弾性材１８０は、空隙部１４２の少なくとも一部に配置されていれば良い。線圧（シール圧）を大きくすることが可能となる。

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…燃料電池
１１０…膜電極接合体
１４０…フレーム
１４１…凹部
１４１ａ…底
１４１ｂ…側面
１４１ｃ…フレーム側面部
１４２…空隙
１５０…第１のセパレータプレート
１５２…凸状突起部
１５６…流路形成部
１６０…第２のセパレータプレート
１７０…ゴムシート
１８０…弾性材
２００…ターミナルプレート
２１０…ターミナルプレート
２２０…絶縁プレート
２３０…エンドプレート
３１０…酸化剤ガス供給マニホールド
３１５…酸化剤ガス排出マニホールド
３２０…燃料ガス供給マニホールド
３２５…燃料ガス排出マニホールド
３３０…冷媒供給マニホールド
３３５…冷媒排出マニホールド
１４０１〜１４０６…開口部
１５０１〜１５０６…開口部

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を外縁から支持するフレームと、
   前記膜電極接合体と前記フレームとを挟持する一対のセパレータプレートと、
   を備え、
   前記一対のセパレータプレートのうちの第１のセパレータプレートは、前記フレームと反対側に突出する弾性変形可能な凸状突起部を有し、
   前記フレームは、前記第１のセパレータプレートの前記凸状突起部の裏側に凹形状の空隙部を有し、
   前記空隙部の少なくとも一部に、弾性材が配置されており、
   前記凸状突起部の頂部、または、前記第１のセパレータプレートとは異なる第２のセパレータプレートの前記凸状突起部と反対側の部分にゴムシートが設けられている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記弾性材は、ゴム材またはウレタン材である、燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記弾性材は、前記空隙部の凹形状の底に設けられている、燃料電池。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記弾性材は、前記第１のセパレータプレートと前記フレームとの両方に接している、燃料電池。
5. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記弾性材は、前記空隙部の凹形状の側面部に設けられている、燃料電池。
6. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記弾性材は、前記空隙部の前記第１のセパレータプレート側に設けられている、燃料電池。
7. 燃料電池スタックの製造方法であって、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池を複数準備する工程と、
   複数の前記燃料電池を積層する工程と、
   前記複数の燃料電池を積層方向に圧縮して、前記第１のセパレータプレートの変形による反力に、前記弾性材の反力を加えることにより、前記凸状突起部と前記ゴムシートと前記第２のセパレータプレートとの間に形成されるシールラインのシール圧を上昇させる工程と、
   を備える、燃料電池スタックの製造方法。

Images