JP6014528B2

JP6014528B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6014528B2
Application number: JP2013063869A
Authority: JP
Inventors: 霜鳥　宗一郎; 宗一郎霜鳥
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: JP2014191879A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ）の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、この単セル電池を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けることにより構成されている。

このような燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）並びに酸化剤（空気）、及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があり、これら反応ガス・冷却水を燃料電池スタックに分配し、かつ回収するマニホールドが設けられている。

燃料電池スタックにマニホールドを設ける方式には内部マニホールド方式と外部マニホールド方式があるが、外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを積層体の両側側面に配置して、それらを通して反応ガス・冷却水を流通させている。

このように、外部マニホールド方式は、セパレータがマニホールドを含まないため、セパレータは膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにすることができ、コストダウンに有利である。また外部マニホールドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能であるので、コストアップを最小限に抑えることができる。また、マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路に、均一にガスや冷却水を分配することが可能である。

特許第３４４４４８４号公報

外部マニホールド方式では、マニホールドと積層体側面の間から液体(冷却水)およびガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が漏れないようにシールすることが必要であり、このシールは、通常、マニホールドの周縁部と積層体側面との間にシール部材を配置することなどで行われている。しかし、積層体のコーナー部分には、このシール部材の外側となる領域が存在し、その領域では、液体およびガスはマニホールドと積層体との間のシールおよび積層体を構成するセル間のシールで遮断されているだけであり、シールは不十分である。即ち、この領域では、発電運転中の液体およびガスのリークをある許容値以内に抑制することはできるが、例えば長時間電池スタック内に水を保持した場合など、その水圧および浸透力により微小の水がリークするという問題がある。

特に、電池スタックを水パージすることにより劣化を防ぎ、ガス出入口の制御バルブを簡略化した構成では、電池スタックを燃料電池システムのパッケージ内において下側に配置する必要があり、電池スタックからの水リークをゼロに抑える必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、運転時の液体やガスだけでなく、停止保管中の電池スタック内の水の微小の滲み出しも防ぐことができる外部マニホールドのシール構造を備える燃料電池スタックを提供することにある。

実施形態によれば、固体高分子電解質膜を第１及び第２のガス拡散電極で挟持してなる膜電極複合体と、前記第１のガス拡散電極に接する燃料ガス流通路を有する第１のセパレータと、前記第２のガス拡散電極に接する酸化剤ガス流通路を有する第２のセパレータとを備える単位電池を複数個積層してなる積層体、前記積層体の前記燃料ガス流通路が開口する側面に配置され、前記燃料ガス流通路に連通する燃料ガス外部マニホールド、及び前記積層体の前記酸化剤ガス流通路が開口する側面に配置され、前記酸化剤ガス流通路に連通する酸化剤ガス外部マニホールドを具備し、前記燃料ガス外部マニホールドと前記積層体とは燃料ガス外部マニホールド側第１のシール部材によりシールされ及び酸化剤ガス外部マニホールドと前記積層体とは酸化剤ガス外部マニホールド側第１のシール部材によりシールされ、前記隣接する燃料ガス外部マニホールドと酸化剤ガス外部マニホールドとは第２のシール部材によりシールされている。

第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図である。図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する燃料電池スタックのＡ−Ａ’断面図である。マニホールドシール部のシールの作用を説明する図である。図１に示す固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図である。図５に示す固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図、図２は、図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する燃料電池スタック１０のＡ−Ａ’断面図である。図１及び図２において、燃料電池スタック１０の個々の単セル電池１１は、膜・電極複合体（ＭＥＡ）１２、燃料セパレータ１３、及び酸化剤・冷却水セパレータ１４により構成されている。燃料セパレータ１３の表面には燃料ガス流通路１３ａが設けられており、その端部は燃料電池スタック１０の側面に開口している。酸化剤・冷却水セパレータ１４の一方の表面には酸化剤ガス流通路１４ａが、もう一方の表面には冷却水流通路１４ｂが設けられており、それらの端部は燃料電池スタック１０の側面に開口している。

単セル電池１１を複数個積層されて構成される燃料電池スタック１０の外部側面には、酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド２１、酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド２２、燃料ガス入口マニホールド３１、燃料ガス出口マニホールド３２が配置されている。酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド２１及び酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド２２は、酸化剤ガス流通路１４ａ及び冷却水流通路１４ｂと連通し、燃料ガス入口マニホールド３１及び燃料ガス出口マニホールド３２は、燃料ガス流通路１３ａと連通していて、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを膜電極複合体に供給し、排出し、所定の流量の冷却水を供給して、反応に伴う発熱の除去を行う。

各マニホールド２１，２２，３１，３２は、ガス不透過性と電気絶縁性を有することが必要であり、通常、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を金型により圧縮成形もしくはインジェクション成形することにより製造される。これに用いる熱可塑性樹脂としてはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などが挙げられる。各マニホールドは、積層体側を開口部とした箱状の形状を有し、マニホールドの側面および内面に燃料電池スタック１０側からマニホールド底面に向かって抜きテーパが設けられ、それによって金型からの離型性が確保されている。

燃料電池スタック１０の側面に接するマニホールドの周縁部のシール面には、断面が矩形のシール溝が周縁部全周にわたって設けられている。シール溝にはシール材が挿入されており、これによってガス／冷却水のリークを防いでいる。

図２に示すように、膜・電極複合体（ＭＥＡ）１２は、高分子電解質膜４１の両側にアノード触媒層４２ａ及びカソード触媒層４３ａを配置し、さらにそれらの外側にガス拡散層４２ｂ，４３ｂを配置して構成される。電解質膜４１は、イオン伝導性とともにガスバリア性を有することが必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、燃料セパレータ１３及び酸化剤・冷却水セパレータ１４と同じ大きさまで延長されている。

触媒層４２ａ，４３ａは、燃料セパレータ１３及び酸化剤・冷却水セパレータ１４や電解質膜４１よりも一回り小さく、その周囲（セパレータ１３，１４と電解質膜４１との間の空隙）には反応ガスをシールするエッジシール材５１が配置されている。エッジシール材５１は、ガス流通路の端部と同じ位置に配置されている。一方、燃料ガスマニホールド３１，３２の開口部は破線で示された位置にあり、ガス流通路よりも内側に位置している。

図３に、燃料電池スタック１０と、例えば酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド２１との間のマニホールドシール部の拡大図を示す。燃料電池スタック１０の外部側面にマニホールド、例えば酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド２１が配置されており、マニホールド２１のシール溝２１ａ内にマニホールドシール６１が配置されている。マニホールドシール６１は断面が円形もしくは楕円のＯリング状であり、シリコンゴム、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）などのゴム材料を金型により圧縮成形あるいはインジェクション成形することにより製造される。

図３（ａ）はマニホールド２１に荷重をかける前の状態を示す。マニホールドシール６１には荷重がかかっておらず、断面形状は楕円のままである。マニホールドシール６１の高さ（Ｏリングの幅）はマニホールドシール溝２１ａの深さより大きく設定されている。図３（ｂ）はマニホールド２１に荷重をかけた後の状態を示す。荷重によりシール６１が縮み、上下の接触面にシール圧がかかり、ガス／冷却水が確実にシールされる。

図１に示すように、マニホールドシール溝およびマニホールドシールからなるシール部材は、燃料電池スタック１０の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２及び燃料ガスマニホールド３１，３２との間に加え、燃料ガスマニホールド３１，３２のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２の側面との間にも設けられている。その拡大図を図４に示す。図４に示すように、燃料ガスマニホールド３１と燃料電池スタック１０の側面との間のシール面には、シール溝３３ａ及びその中に配置されたシール６２ａが設けられているが、その上方の酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１との間のシール面には、シール溝３３ｂが設けられ、その中にシール６２ｂが配置されている。即ち、燃料ガスマニホールド３１と燃料電池スタック１０の側面との間に、シール溝３３ａ及びシール６２ａからなる第１のシール部材が設けられ、燃料ガスマニホールド３１と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１との間に、シール溝３３ｂ及びシール６２ｂからなる第２のシール部材が設けられている。

燃料電池スタック１０の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２及び燃料ガスマニホールド３１，３２との間においては、図３に示すようなシール（第１のシール部材）により液体およびガスは許容値以下にシールされるが、シールの外側に露出するコーナー部からの微小リークは防ぐことができない。これに対し、燃料ガスマニホールド３１，３２のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，３２の側面との間においても、シール溝３３ｂを設け、その中にシール６２ｂを配置し、第２のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークをも完全に防ぐことができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの内部構造を示す上面図である。図５に示す燃料電池スタックが図１に示す第１の実施形態に係る燃料電池スタックと異なる点は、マニホールドシール部のみである。図１に示す燃料電池スタックでは、燃料ガスマニホールド３１，３２と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２の側面との間のシール面は、燃料ガスマニホールド３１，３２と燃料電池スタック１０の側面との間のシール面と同一平面上にある。これに対し、図５に示す燃料電池スタックでは、燃料ガスマニホールド３１，３２と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２の側面との間のシール面は、燃料ガスマニホールド３１，３２と燃料電池スタック１０の側面との間のシール面に対し、所定の角度、傾斜したテーパ面とされている。

図５のマニホールドシール部の拡大図を図６に示す。図６に示すように、燃料ガスマニホールド３１，３２と燃料電池スタック１０の側面との間のシールは、図１及び図４に示すマニホールドシール部と同様であり、シール溝３３ａが設けられ、その中にシール６２ａが配置されているが、燃料ガスマニホールド３１，３２と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２との間のシールのシール面は、燃料ガスマニホールド３１，３２と燃料電池スタック１０の側面との間のシール面に対し、所定の角度、傾斜しており、即ち、燃料ガスマニホールド３１，３２と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２とは、テーパ面で接している。図５に示すように、燃料ガスマニホールド３１，３２の傾斜したシール面にシール溝３３ｃが設けられ、その中にシール６２ｃが配置され、第２のシール部材が設けられている。

燃料電池スタック１０の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２及び燃料ガスマニホールド３１，３２との間においては、図３に示すようなシール（第１のシール部材）により液体およびガスは許容値以下にシールされるが、シールの外側に露出するコーナー部からの微小リークは防ぐことができない。これに対し、燃料ガスマニホールド３１，３２のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２の側面との間においても、シール溝３３ｃを設け、その中にシール６２ｃを配置し、第２のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークをも完全に防ぐことができる。

なお、燃料ガスマニホールド３１，３２と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２との接触面をテーパ面とすることにより、燃料ガスマニホールド３１，３２と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２とを独立して燃料電池スタック１０の側面に取り付けることが可能となり、それによって組立作業性が向上するという効果も得られる。

（第３の実施形態）
図７及び図８は、第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックのマニホールドシール部を拡大して示す断面図である。図１〜６に示す燃料電池スタックのマニホールドシール部では、燃料ガスマニホールド３１，３２及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２と、燃料電池スタック１０の側面との間のシールは、燃料ガスマニホールド３１，３２及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２の側にシール溝２３，３３ａが設けられ、その中にシール６１，６２ａが配置されて、第１のシール部材によって行われている。

これに対し、図７に示す例では、酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２に接する燃料電池スタック１０の側にシール溝７３ａを設け、その中にシール６１を配置している。また、図８に示す例では、燃料ガスマニホールド３１，３２に接する燃料電池スタック１０の側にシール溝７３ｂを設け、その中にシール６２ａを配置している。

また、図示しないが、燃料ガスマニホールド３１，３２と燃料電池スタック１０の側面との間のシール、及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２と燃料電池スタック１０の側面との間のシールの双方において、燃料電池スタック１０の側にシール溝を設け、その中にシールを配置することも可能である。

このような第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックにおいても、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

即ち、酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２及び燃料ガスマニホールド３１，３２と燃料電池スタック１０の側面との間のシールを第１のシール部材により行うことに加え、燃料ガスマニホールド３１，３２のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド２１，２２の側面との間においても、シール溝を設け、その中にシールを配置し、第２のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークを完全に防ぐことができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、運転時の液体やガスだけでなく、停止保管中の電池スタック内の水の微小の滲み出しも防ぐことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…燃料電池スタック、１１…単セル電池１１、１２…膜・電極複合体（ＭＥＡ）、１３…燃料セパレータ、１３ａ…燃料ガス流通路、１４…酸化剤・冷却水セパレータ、１４ａ…酸化剤ガス流通路、１４ｂ…冷却水流通路、２１…酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド、２１ａ，３３ｃ…シール溝、２２…酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド、３１…燃料ガス入口マニホールド、３２…燃料ガス出口マニホールド、４１…高分子電解質膜、４２ａ…アノード触媒層、４２ｂ，４３ｂ…ガス拡散層、４３ａ…カソード触媒層、５１…エッジシール材、６１，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ…マニホールドシール

Claims

固体高分子電解質膜を第１及び第２のガス拡散電極で挟持してなる膜電極複合体と、前記第１のガス拡散電極に接する燃料ガス流通路を有する第１のセパレータと、前記第２のガス拡散電極に接する酸化剤ガス流通路を有する第２のセパレータとを備える単位電池を複数個積層してなる積層体、
前記積層体の前記燃料ガス流通路が開口する側面に配置され、前記燃料ガス流通路に連通する燃料ガス外部マニホールド、及び
前記積層体の前記酸化剤ガス流通路が開口する側面に配置され、前記酸化剤ガス流通路に連通する酸化剤ガス外部マニホールド
を具備し、
前記燃料ガス外部マニホールドと前記積層体とは燃料ガス外部マニホールド側第１のシール部材によりシールされ及び酸化剤ガス外部マニホールドと前記積層体とは酸化剤ガス外部マニホールド側第１のシール部材によりシールされ、前記隣接する燃料ガス外部マニホールドと酸化剤ガス外部マニホールドとは第２のシール部材によりシールされていることを特徴とする燃料電池スタック。
前記隣接する燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドのいずれか一方の周端部は、他方のマニホールドの周端部側面に接するように延長しており、この延長部にシール溝が形成され、前記シール溝内にシール材が配置されて第２のシール部材を構成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。
前記隣接する燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドのいずれか一方の周端部と、他方のマニホールドの周端部とは、前記積層体の側面に対し傾斜した面で接しており、これら傾斜面のいずれか一方にシール溝が形成され、前記シール溝内にシール材が配置されて第２のシール部材を構成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。
前記第１のシール部材は、前記燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドの周端部の前記積層体と接する面に形成されたシール溝と、このシール溝内に配置されたシール材とにより構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタック。
前記第１のシール部材は、前記積層体の、前記燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドの周端部と接する面に形成されたシール溝と、このシール溝内に配置されたシール材とにより構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタック。