JP6137320B2 - 変形吸収部材および燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、変形吸収部材およびその変形吸収部材を設けた燃料電池に関する。
従来から、燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとを交互に複数積層して構成している。膜電極接合体の少なくとも片面に積層するセパレータを、アノード側セパレータとカソード側セパレータからなるセパレータユニットで構成し、その間に変形吸収部材を配設したものがある。変形吸収部材は、膜電極接合体やセパレータの積層方向に沿った変形を吸収する。燃料電池スタックの内部にバネ状の変形吸収部材を配設することによって、積層部材の変形を吸収するものがある(たとえば、特許文献1参照。)。
燃料電池は、交互に複数積層した膜電極接合体とセパレータを筺体に収納して構成している。燃料電池は、膜電極接合体の積層数に応じて高出力を得られることから、その膜電極接合体の積層数を増加させることが望ましい。
ところで、膜電極接合体は発電に伴い発熱することから、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に冷却水を流通させている。変形吸収部材によって、流通させる冷却水の体積が変動すると、たとえば膜電極接合体が十分に冷却されないことから、その冷却水の流通に必要な送水システムが複雑になる。したがって、アノード側セパレータとカソード側セパレータの間に配設した変形吸収部材は、膜電極接合体やセパレータの積層方向に沿った変形を吸収しつつ、冷却水の流通を妨げないようにする必要がある。
特開2012−129108号公報
このように、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間における冷却水の体積の変動を抑制し、その冷却水の流通を偏らせることなく良好にすることができる変形吸収部材や、その変形吸収部材を設けた燃料電池が要請されていた。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間における冷却媒体(たとえば冷却水)の体積変動を抑制し流通を良好にすることができる変形吸収部材の提供を目的とする。さらに、その変形吸収部材を設けた燃料電池の提供を目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る変形吸収部材は、対をなして組み付けるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層して用い、燃料電池の積層部材における各々の変形を吸収する。変形吸収部材は、積層部材の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備えている。吸収部は、薄板状の基材の一面から積層方向に沿って格子状に突出し、変形自在な薄板状の突出部を備えている。一の突出部と他の突出部は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間で流通させる冷却媒体の一の流通方向の上流側と下流側とで隣り合い、一の流通方向と基材に沿って直交した他の流通方向に対して互いの位置を一部異ならせて配設している。突出部は、基材の一面から起立させた片持ち梁状の起立片からなる。起立片は、積層部材から押圧され一定の範囲を超えて変形すると、基材の一面に位置する固定端部から一の流通方向に沿って延在させた自由端部を、アノード側セパレータまたはカソード側セパレータに接触させる。
また、上記目的を達成する本発明に係る変形吸収部材は、対をなして組み付けるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層して用い、燃料電池の積層部材における各々の変形を吸収する。吸収部は、積層部材の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する。保持部材は、薄板状の基材の一面と対向する他面に当接し、板状からなる。吸収部は、基材の一面から積層方向に沿って格子状に突出し、変形自在な薄板状の突出部を備えている。一の突出部と他の突出部は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間で流通させる冷却媒体の一の流通方向の上流側と下流側とで隣り合い、一の流通方向と基材に沿って直交した他の流通方向に対して互いの位置を一部異ならせて配設している。
また、上記目的を達成する本発明に係る変形吸収部材は、対をなして組み付けるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層して用い、燃料電池の積層部材における各々の変形を吸収する。吸収部は、積層部材の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する。吸収部は、突出部と、規制部と、を備えている。突出部は、薄板状であって、薄板状の基材の一面から積層方向に沿って格子状に突出し、変形自在である。規制部は、一面から積層方向に沿って突出し、変形前の突出部と比較して積層方向に短尺であって、積層方向に沿った積層部材の変形を一定の範囲内に規制する。
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、変形吸収部材、セパレータユニット、膜電極接合体、および筺体と、を有している。変形吸収部材は、上記に記載の構成からなる。セパレータユニットは、変形吸収部材をアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層する。膜電極接合体は、セパレータユニットに積層し、供給される燃料媒体を用いて発電する。筺体は、変形吸収部材、セパレータユニット、および膜電極接合体を一体に保持する。
第1実施形態に係る変形吸収部材を設けた燃料電池を示す斜視図である。 第1実施形態に係る変形吸収部材を設けた燃料電池の一部を構成部材毎に分解して示す分解斜視図である。 第1実施形態に係る変形吸収部材を設けた燃料電池の要部を側面から示す断面図である。 第1実施形態に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第1実施形態に係る変形吸収部材の一部を示す平面図である。 第1実施形態に係る変形吸収部材の一部を模式的に示す側面図である。 第1実施形態の変形例1に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第1実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第1実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の一部を示す平面図である。 第1実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の一部を模式的に示す側面図である。 第1実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の起立片のバネ特性を模式的に示す側面図である。 第2実施形態に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第2実施形態に係る変形吸収部材の一部を示す平面図である。 第2実施形態に係る変形吸収部材の一部を模式的に示す側面図である。 第2実施形態の変形例1に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第2実施形態の変形例1に係る変形吸収部材の一部を示す平面図である。 第2実施形態の変形例1に係る変形吸収部材の一部を模式的に示す側面図である。 第2実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第2実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の一部を示す平面図である。 第2実施形態の変形例2に係る変形吸収部材の一部を模式的に示す側面図である。 第2実施形態の変形例3に係る変形吸収部材の一部を示す斜視図である。 第2実施形態の変形例3に係る変形吸収部材の一部を示す平面図である。 第2実施形態の変形例3に係る変形吸収部材の一部を模式的に示す側面図である。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明に係る第1および第2実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。
(第1実施形態)
第1実施形態に係る変形吸収部材30およびその変形吸収部材30を設けた燃料電池1について、図1〜図6を参照しながら説明する。
図1は、変形吸収部材30を設けた燃料電池1を示す斜視図である。図2は、変形吸収部材30を設けた燃料電池1の一部を構成部材毎に分解して示す分解斜視図である。図3は、変形吸収部材30を設けた燃料電池1の要部を側面から示す断面図である。図4は、変形吸収部材30の一部を示す斜視図である。図5は、図4中の領域Aにおける変形吸収部材30の一部を示す平面図である。図6は、図4中のB−B’線における変形吸収部材30の一部を模式的に示す側面図である。
変形吸収部材30は、対をなして組み付けるアノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に積層して用い、燃料電池1の積層部材(たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20)における各々の変形を吸収する。変形吸収部材30は、積層部材の積層方向Xに沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備えている。
特に、第1実施形態に係る変形吸収部材30の吸収部は、基材31の一面31aから積層方向Xに沿って格子状に突出し、変形自在な突出部(たとえば起立片32)を複数備えている。一の突出部(一の起立片32Mに相当)と他の突出部(他の起立片32Nに相当)は、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間で流通させる冷却媒体(たとえば冷却水)の一の流通方向Yの上流側と下流側とで隣り合い、一の流通方向Yと交差した他の流通方向Zに対して互いの位置を一部異ならせて配設している。
燃料電池1は、変形吸収部材30、セパレータユニット10、膜電極接合体20、および筺体100と、を有している。変形吸収部材30は、上記の構成からなる。セパレータユニット10は、変形吸収部材30をアノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に積層する。膜電極接合体20は、セパレータユニット10に積層し、供給される燃料媒体を用いて発電する。筺体100は、変形吸収部材30、セパレータユニット10、および膜電極接合体20を一体に保持する。
燃料電池1は、セパレータユニット10、膜電極接合体20、変形吸収部材30、および筺体100を含んでいる。以下、燃料電池1の各構成について、図1〜図6を参照しながら順に説明する。
セパレータユニット10は、図2および図3に示し、膜電極接合体20と交互に積層し、隣り合う膜電極接合体20を隔離させる。
具体的には、セパレータユニット10は、隣り合う膜電極接合体20を隔離させつつ、膜電極接合体20で発生した電力を積層方向Xに対して通電させ、かつ、燃料媒体および冷却媒体(たとえば冷却水)をそれぞれ流通させる。セパレータユニット10は、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12とを備えている。
アノード側セパレータ11は、膜電極接合体20に備えたアノード22に当接させている。アノード側セパレータ11は、導電性材料を有する金属からなり、アノード22よりも大きい薄板状に形成している。アノード側セパレータ11は、その長手方向の一端に、アノードガス供給口11a、冷却流体供給口11b、およびカソードガス供給口11cに相当する貫通孔を開口している。同様に、アノード側セパレータ11は、その長手方向の他端に、カソードガス排出口11d、冷却流体排出口11e、およびアノードガス排出口11fに相当する貫通孔を開口している。
アノード側セパレータ11の中央には、図3に示すように、燃料ガス(水素)と冷却水とを隔てて流す流路部11gを構成するように凹凸形状を一定の間隔で複数形成している。アノード側セパレータ11は、凹凸形状のうち、アノード22と接触して形成された閉空間を、アノード22に対して水素を供給するアノードガス流路13として用いる。一方、アノード側セパレータ11は、凹凸状の形状のうち、変形吸収部材30を介してカソード側セパレータ12との間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却水流路14として用いる。
カソード側セパレータ12は、膜電極接合体20に備えたカソード23に当接させている。カソード側セパレータ12は、導電性材料を有する金属からなり、カソード23よりも大きい薄板状に形成している。カソード側セパレータ12は、その長手方向の一端に、アノードガス供給口12a、冷却流体供給口12b、およびカソードガス供給口12cに相当する貫通孔を開口している。同様に、カソード側セパレータ12は、その長手方向の他端に、カソードガス排出口12d、冷却流体排出口12e、およびアノードガス排出口12fに相当する貫通孔を開口している。
カソード側セパレータ12の中央には、図3に示すように、酸化剤ガス(酸素を含有した空気または純酸素)と冷却水とを隔てて流す流路部12gを構成するように凹凸形状を一定の間隔で複数形成している。カソード側セパレータ12は、凹凸状の形状のうち、カソード23と接触して形成された閉空間を、カソード23に対して酸化剤ガスを供給するカソードガス流路15として用いる。一方、カソード側セパレータ12は、凹凸状の形状のうち、変形吸収部材30を介してカソード側セパレータ12との間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却水流路14として用いる。アノード側セパレータ11の冷却水流路14と、カソード側セパレータ12に設けられた冷却水流路14は、1つの冷却水用の流路を形成する。
膜電極接合体20は、図2および図3に示し、セパレータユニット10と交互に積層し、供給される燃料媒体を用いて発電する。
具体的には、膜電極接合体20は、供給された水素と酸素を化学反応させて電力を生成する。膜電極接合体20は、電解質膜21を介して対向するようにアノード22とカソード23とを接合した状態で、枠体24によって一体に保持して形成している。膜電極接合体20は、一般的にMEA(membrane electrode assembly)と称している。電解質膜21は、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いている。
アノード22は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜21よりも若干小さい薄板状に形成している。カソード23は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード22と同様の大きさで薄板状に形成している。アノード22およびカソード23の電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。アノード22およびカソード23のガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。
枠体24は、積層した電解質膜21、アノード22、およびカソード23の外周を一体に保持している。枠体24は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂からなり、セパレータユニット10の外周部分の外形形状と同様の外形形状で形成している。枠体24は、その長手方向の一端に、アノードガス供給口24a、冷却流体供給口24b、およびカソードガス供給口24cに相当する貫通孔を開口している。同様に、枠体24は、その長手方向の他端に、カソードガス排出口24d、冷却流体排出口24e、およびアノードガス排出口24fに相当する貫通孔を開口している。
膜電極接合体20およびセパレータユニット10は、互いに密封した状態で交互に複数積層する必要がある。このため、隣り合う膜電極接合体20とセパレータユニット10との外周を封止部材によって封止する。封止部材は、たとえば、熱硬化性樹脂を用いる。熱硬化性樹脂は、たとえば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル等から選択する。
変形吸収部材30は、図2〜図6に示し、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に積層し、燃料電池1の積層部材における各々の変形を吸収する。
具体的には、変形吸収部材30は、燃料電池1の組み付け時において、アノード側セパレータ11およびカソード側セパレータ12の燃料ガスと冷却水の流路をなす凹凸形状の製造誤差を、自ら変形して吸収する。さらに、変形吸収部材30は、燃料電池1の運転中において、セパレータユニット10が熱膨張することに起因した積層方向Xの変形、および膜電極接合体20が供給された媒体を吸収して膨張することに起因した積層方向Xの変形を、自ら変形して吸収する。したがって、交互に複数積層したセパレータユニット10および膜電極接合体20に対して高い圧力を掛けて互いに密着できる。交互に複数積層したセパレータユニット10と膜電極接合体20が互いに密着する程、それらの通電抵抗が低下して、発電効率を向上させることができる。
変形吸収部材30は、通電性を備えた金属製の薄板に相当する基材31と、その基材31の一面31aに千鳥状に複数形成した起立片32から形成している。起立片32は、基材31の一面31aをUの字形状に打ち抜いた後、その打抜孔31bから起ち上げて形成している。起立片32は、基材31に対して片持ち梁状の構造を有していることから、弾性変形可能なバネの機能を備えている。起立片32は、図3に示すように、基材31の一面31aに設けた基端側の固定端部32aから延在させた先端側の自由端部32bを、アノード側セパレータ11に対して当接させている。起立片32は、図4および図5に示すように、たとえば、基端側の固定端部32aの幅と、固定端部32aから一の流通方向Yに沿って延在させた先端側の自由端部32bの幅とを同様にした矩形状に形成している。複数の起立片32は、自由端部32bの向きを揃えて形成している。図4に示すWは、冷却水が流通する経路である。冷却水は、起立片32を迂回するように、一の流通方向Yと他の流通方向Zに沿って流通する。
ここで、一の起立片32Mは、一の流通方向Yと他の流通方向Zにおいて隣り合う他の起立片32Nと、互いの位置を半ピッチ異ならせて配設している。すなわち、複数の起立片32は、基材31の一面31aに対して千鳥状に形成している。このような構成は、積層部材の積層方向Xに沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部の突出部に相当する。
筺体100は、図1および図2に示し、複数組積層したセパレータユニット10、膜電極接合体20、および変形吸収部材30を一体に保持する。
筺体100は、一対のエンドプレート101および102、一対の集電板103および104、一対の締結板106、一対の補強板107、およびネジ108を含んでいる。
一対のエンドプレート101および102は、図2に示すように、一対の集電板103および104を挟持して付勢している。一対の集電板103および104は、一対の集電板103および104を介して、複数組積層したセパレータユニット10、膜電極接合体20、および変形吸収部材30の両端に配設している。一対のエンドプレート101および102の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を増した膜電極接合体20の外形形状と同様である。一対のエンドプレート101および102は、たとえば、金属からなり、一対の集電板103および104と当接する部分に絶縁体を設けている。一対のエンドプレート101および102のうち、エンドプレート101のみ、その長手方向の一端に、アノードガス供給口101a、冷却流体供給口101b、およびカソードガス供給口101cに相当する貫通孔を開口している。同様に、エンドプレート101のみ、その長手方向の他端に、カソードガス排出口101d、冷却流体排出口101e、およびアノードガス排出口101fに相当する貫通孔を開口している。一対のエンドプレート101および102は、前述した一対の集電板103および104の突起部103iおよび104iを挿通させる貫通孔101jおよび102jを開口している。
一対の集電板103および104は、膜電極接合体20で生成された電力をセパレータユニット10および変形吸収部材30を介して外部に取り出す。一対の集電板103および104は、図2に示すように、複数組積層したセパレータユニット10、膜電極接合体20、および変形吸収部材30の両端に配設している。すなわち、一対の集電板103および104は、一対の集電板103および104の内側に隣接して配設している。一対の集電板103および104の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を少し厚くした膜電極接合体20の外形形状と同様である。一対の集電板103および104のうち、集電板103のみ、その長手方向の一端に、アノードガス供給口103a、冷却流体供給口103b、およびカソードガス供給口103cに相当する貫通孔を開口している。同様に、集電板103のみ、その長手方向の他端に、カソードガス排出口103d、冷却流体排出口103e、およびアノードガス排出口103fに相当する貫通孔を開口している。
一対の集電板103および104は、その中央に集電部103hおよび104hを備えている。集電部103hおよび104hは、たとえば、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性部材からなり、アノード22およびカソード23の外形よりも若干小さい薄板状に形成している。集電部103hおよび104hは、複数積層した最外層の膜電極接合体20に当接している。集電部103hおよび104hは、その一面から導電性を備えた円柱形状の突起部103iおよび104iを突出して設けている。突起部103iおよび104iは、図2に示すように、一対のエンドプレート101および102の貫通孔101jおよび102jを挿通して、外部に臨んでいる。
一対の締結板106は、たとえば、金属からなり、板状に形成している。一対の締結板106は、一対のエンドプレート101および102を、その長手方向の両側から対向するように保持している。一対の補強板107は、たとえば、金属からなり、一対の締結板106よりも細長い板状に形成している。一対の補強板107は、一対のエンドプレート101および102を、その短手方向の両側から対向するように保持している。複数のネジ108は、一対の締結板106および一対の補強板107を、一対のエンドプレート101および102に固定している。
上述した第1実施形態によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材30は、対をなして組み付けるアノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に積層して用い、燃料電池1の積層部材(たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20)における各々の変形を吸収する。変形吸収部材30は、積層部材の積層方向Xに沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備えている。
このような構成によれば、変形吸収部材30の吸収部によって積層部材の積層方向Xに沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収し、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12とを積層部材の積層方向Xと交差した面内において均等に変形させる。すなわち、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に設けた冷却水流路14の体積の変化量を、積層部材の積層方向Xと交差した面内において均等にすることができる。したがって、変形吸収部材30の吸収部によって、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間における冷却水の体積変動を抑制し流通を良好にすることができる。
燃料電池1は、変形吸収部材30、セパレータユニット10、膜電極接合体20、および筺体100と、を有している。変形吸収部材30は、上記の構成からなる。セパレータユニット10は、変形吸収部材30をアノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に積層する。膜電極接合体20は、セパレータユニット10に積層し、供給される燃料媒体を用いて発電する。筺体100は、変形吸収部材30、セパレータユニット10、および膜電極接合体20を一体に保持する。
このような燃料電池1によれば、積層部材の積層方向Xに沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備えた変形吸収部材30を設けていることから、膜電極接合体20の冷却不足に起因した電池特性の低下等を生じることなく、所期の出力を得ることができる。
第1実施形態に係る変形吸収部材30の吸収部は、基材31の一面31aから積層方向Xに沿って格子状に突出し、変形自在な突出部(たとえば起立片32)を備えている。一の突出部(一の起立片32Mに相当)と他の突出部(他の起立片32Nに相当)は、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間で流通させる冷却媒体の一の流通方向Yの上流側と下流側とで隣り合い、一の流通方向Yと交差した他の流通方向Zに対して互いの位置を一部異ならせて配設した構成としている。
このような構成によれば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間における、変形吸収部材30の積層方向Xに対する疎密のばらつきを、流体供給口から冷却流体排出口に沿った一の流通方向Yと、一の流通方向Yと直交する他の流通方向Zとにおいて、抑制することができる。すなわち、一の流通方向Yと、他の流通方向Zとにおいて、複数の突出部(たとえば起立片32)を千鳥状に配設していることから、変形吸収部材30の積層方向Xに対する疎密のばらつきを抑制できる。この結果、複数の突出部(たとえば起立片32)は、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12を、一の流通方向Yと他の流通方向Zからなる面内において、局所的に歪ませることなく均等に変形させることができる。したがって、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に設けた冷却水流路14の体積の変化量を、一の流通方向Yと他の流通方向Zからなる面内において均等にすることができる。
さらに、変形吸収部材30において、突出部は、基材31の一面31aから起立させた片持ち梁状の起立片32から構成できる。
このような構成によれば、起立片32は、基材31と一体に形成していることから、基材31から脱落し難く信頼性が高い。さらに、起立片32は、基材31の一面31aをUの字形状等に打ち抜いた後、その打抜孔31bから起ち上げるような、簡便な構成によって形成することができる。また、起立片32は、その形状や、基材31の一面31aに対する配設位置等を、任意に設定することができる。同様に、起立片32は、必要となる曲げ強度を、基材31の材質を適宜選択することによって得ることができる。
(第1実施形態の変形例1)
第1実施形態の変形例1に係る変形吸収部材40について、図7を参照しながら説明する。
図7は、変形吸収部材40の一部を示す斜視図である。
第1実施形態の変形例1に係る変形吸収部材40は、板状からなる保持部材41を基材31の他面に当接させる構成が、前述した第1実施形態と異なる。
第1実施形態の変形例1においては、前述した第1実施形態と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。
変形吸収部材40は、変形吸収部材30と同様に、通電性を備えた金属製の薄板に相当する基材31と、その基材31の一面31aに千鳥状に複数形成した起立片32を備えている。さらに、変形吸収部材40は、変形吸収部材30と異なり、板状の保持部材41を備えている。保持部材41は、通電性を備えた金属製の薄板からなり、基材31の外形形状と同様の大きさに形成している。保持部材41は、基材31の一面31aと対向する他面の側に当接している。保持部材41は、基材31に対してレーザ溶接等によって接合することができる。
上述した第1実施形態の変形例1によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材40は、基材31および基材の一面31aから突出した起立片32に加えて、保持部材41を備えている。保持部材41は、基材31の一面31aと対向する他面と当接し、板状からなる。
このような構成によれば、基材31の他面の側は、保持部材41を介して、カソード側セパレータ12またはアノード側セパレータ11と当接する。すなわち、基材31は、打抜孔31bが格子状に開口して形成されていたとしても、カソード側セパレータ12またはアノード側セパレータ11から受ける荷重を、保持部材41によって均等に分散させることができる。したがって、変形吸収部材40は、カソード側セパレータ12またはアノード側セパレータ11の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを、開口した打抜孔31の影響を受けることなく、効果的に吸収することができる。
上述した変形吸収部材に保持部材41を備える構成は、後述する全ての実施形態にも適用することができる。
(第1実施形態の変形例2)
第1実施形態の変形例2に係る変形吸収部材50について、図8〜図11を参照しながら説明する。
図8は、変形吸収部材50の一部を示す斜視図である。図9は、図8中の領域Cにおける変形吸収部材50の一部を示す平面図である。図10は、図8中のD−D’線における変形吸収部材50の一部を模式的に示す側面図である。図11は、変形吸収部材50の起立片52のバネ特性を模式的に示す側面図である。
第1実施形態の変形例2に係る変形吸収部材50は、起立片52が一定の範囲を超えて変形した場合に、その起立片52の自由端部52bをたとえばカソード側セパレータ12に接触させる構成が、前述した第1実施形態と異なる。
第1実施形態の変形例2においては、前述した第1実施形態と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。
変形吸収部材50は、変形吸収部材30と同様に、通電性を備えた金属製の薄板に相当する基材31と、その基材31の一面31aに千鳥状に複数形成した起立片52から形成している。起立片52は、起立片32と同様に、基材31の一面31aをUの字形状に打ち抜いた後、その打抜孔31cから起ち上げて形成している。ただし、起立片52は、起立片32よりも、一の流通方向Yに対して長尺に打ち抜いている。起立片52は、基材31に対して片持ち梁状の構造を有し、弾性変形可能なバネの機能を備えている。起立片52は、基材31の基端側の固定端部52aから延在させた先端側の自由端部52bを、L字状に屈折させている。図8に示すWは、冷却水が流通する流通経路である。冷却水は、起立片52を迂回するように、一の流通方向Yと他の流通方向Zに沿って流通する。
起立片52は、積層部材と積層方向Xに沿って当接している状態では、図11(a)に示すように、自由端部52bが固定端部52aの側と隣接しているカソード側セパレータ12から大きく離間している。また、起立片52は、積層部材から積層方向Xに沿って一定の範囲で押圧された状態では、図11(b)に示すように屈折して変形しているものの、自由端部52bがカソード側セパレータ12から離間している。ここで、起立片52は、積層部材から積層方向Xに沿って一定の範囲を超えて強く押圧された状態では、図11(c)に示すように大きく屈折して変形し、自由端部52bをカソード側セパレータ12に接触させている。
上述した第1実施形態の変形例2によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材50において、起立片52は、積層部材(たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20)から押圧され一定の範囲を超えて変形すると、基材31の一面31aに位置する固定端部52aから一の流通方向Yに沿って延在させた自由端部52bを、カソード側セパレータ12またはアノード側セパレータ11に接触させる。
このような構成によれば、起立片52は、積層部材から一定の範囲を超えて過度に押圧されても、屈折するように変形させた自由端部52bをアノード側セパレータ11またはカソード側セパレータ12に接触させ、積層部材の過剰な移動を抑制することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態に係る変形吸収部材60について、図12〜図14を参照しながら説明する。
図12は、変形吸収部材60の一部を示す斜視図である。図13は、図12中の領域Eにおける変形吸収部材60の一部を示す平面図である。図14は、図12中のF−F’線における変形吸収部材60の一部を模式的に示す側面図である。
第2実施形態に係る変形吸収部材60は、規制部(たとえばストッパー63)によって積層部材の変形を一定の範囲内に規制する構成が、前述した第1実施形態と異なる。
第2実施形態においては、前述した第1実施形態と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。
変形吸収部材60は、変形吸収部材30と同様に、基材31の一面31aから積層方向Xに沿って格子状に突出し変形自在な起立片32を複数備えている。変形吸収部材60は、変形吸収部材30と異なり、複数の起立片32を、一の流通方向Yに対して直線状に揃えて配設している。ここで、変形吸収部材60は、変形吸収部材30と異なり、積層部材の変形を一定の範囲内に規制する規制部を備えている。規制部は、たとえば、ストッパー63に相当する。積層部材は、たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20に相当する。
ストッパー63は、基材31の一面31aを矩形状に打ち抜いた後、その打抜孔31dから起ち上げて形成している。ストッパー63は、起立片32と同様に、基材31に対して片持ち梁状の構造を有している。一方、ストッパー63は、起立片32と異なり、一の流通方向Yおよび他の流通方向Zに対して直交するように、積層方向Xに沿って垂直に起立している。ストッパー63は、変形前の起立片32と比較して、積層方向Xに対して短尺である。ストッパー63は、一の流通方向Yに沿って起立片32と隣り合うように、基材31に備えている。ストッパー63は、起立片32を変形させつつ押圧してきた積層部材を係留することによって、積層方向Xに沿った積層部材の変形を一定の範囲内に規制する。ストッパー63は、積層方向Xに沿って垂直に起立していることから、積層部材から積層方向Xに沿って押圧された場合に、ストッパー63自体が弾性変形することを防止できる。
上述した第2実施形態によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材60において、吸収部は、突出部(たとえば起立片32)および規制部(たとえばストッパー63)を備えている。突出部(たとえば起立片32)は、基材31の一面31aから積層方向Xに沿って格子状に突出し、変形自在である。規制部(たとえばストッパー63)は、一面31aから積層方向Xに沿って突出し、変形前の突出部(たとえば起立片32)と比較して積層方向Xに短尺である。ここで、規制部(たとえばストッパー63)は、積層方向Xに沿った積層部材(たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20)の変形を一定の範囲内に規制する。
このような構成によれば、積層部材から押圧されて変形する突出部(たとえば起立片32)の変形量が一定値になると、積層部材が規制部(たとえばストッパー63)に当接することによって、積層部材の変形を一定の範囲内に規制することができる。したがって、起立片32が積層部材から過度に押圧されても、ストッパー63によって積層部材の変形を一定の範囲内に抑えることができる。すなわち、ストッパー63は、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12を必要以上に変形させることなく、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に設けた冷却水流路14の体積の変化量を小さくすることができる。
さらに、規制部(たとえばストッパー63)は、積層部材(たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20)から押圧されると変形せずに、それらの積層部材の変形を規制することができる。
このような構成によれば、たとえば、ストッパー63を積層方向Xに沿って垂直に起立させることによって、積層部材から積層方向Xに沿って押圧された場合に、その積層部材の過度な変形を抑制し、積層部材の損傷を防止することができる。
(第2実施形態の変形例1)
第2実施形態の変形例1に係る変形吸収部材70について、図15〜図17を参照しながら説明する。
図15は、変形吸収部材70の一部を示す斜視図である。図16は、図15中の領域Gにおける変形吸収部材70の一部を示す平面図である。図17は、図15中のH−H’線における変形吸収部材70の一部を模式的に示す側面図である。
第2実施形態の変形例1に係る変形吸収部材70は、規制部(たとえばストッパー73)が、一の流通方向Yに沿って突出部(たとえば起立片32)と重複しない構成が、前述した第2実施形態と異なる。
第2実施形態の変形例1においては、前述した第2実施形態と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。
ストッパー73は、ストッパー63と同様に、基材31の一面31aを矩形状に打ち抜いた後、その打抜孔31eから起ち上げて形成している。ストッパー73は、ストッパー63と同様に、基材31に対して片持ち梁状の構造を有し、積層方向Xに沿って垂直に起立している。ストッパー73は、ストッパー63と同様に、変形前の起立片32と比較して、積層方向Xに対して短尺である。ここで、ストッパー73は、ストッパー63と異なり、一の流通方向Yに沿って起立片32と重複しないように、基材31に備えている。ストッパー73は、起立片32を変形させつつ押圧してきた積層部材を係留することによって、積層方向Xに沿った積層部材の変形を一定の範囲内に規制する。ストッパー73は、積層方向Xに沿って垂直に起立していることから、積層部材から積層方向Xに沿って押圧された場合に、ストッパー73自体が弾性変形することを防止できる。
上述した第2実施形態の変形例1によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材70において、規制部(たとえばストッパー73)は、一の流通方向Yに沿って突出部(たとえば起立片32)と重複しない。
このような構成によれば、アノード側セパレータ11およびカソード側セパレータ12との間における、変形吸収部材70の積層方向Xに対する疎密のばらつきを、流体供給口から冷却流体排出口に沿った一の流通方向Yにおいて抑制することができる。すなわち、一の流通方向Yにおいて、ストッパー73と起立片32とを、斜め方向に隣り合うように交互に配設していることから、一の流通方向Yおよび他の流通方向Zにおける変形吸収部材70の積層方向Xに対する疎密のばらつきを抑制できる。
(第2実施形態の変形例2)
第2実施形態の変形例2に係る変形吸収部材80について、図18〜図20を参照しながら説明する。
図18は、変形吸収部材80の一部を示す斜視図である。図19は、図18中の領域Jにおける変形吸収部材80の一部を示す平面図である。図20は、図18中のK−K’線における変形吸収部材80の一部を模式的に示す側面図である。
第2実施形態の変形例2に係る変形吸収部材80は、ストッパー63とストッパー73とを、千鳥状に配設した構成が、前述した第2実施形態および第2実施形態の変形例1と異なる。
第2実施形態の変形例2においては、前述した第2実施形態または第2実施形態の変形例1と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。
変形吸収部材80は、一の流通方向Yに沿って複数配設したストッパー63を一つ飛ばしに減らした状態の変形吸収部材60と、一の流通方向Yに沿って複数配設したストッパー73を一つ飛ばしに減らした状態の変形吸収部材70とを、組み合わせた構成に相当する。変形吸収部材80は、ストッパー63と、ストッパー73とを、一の流通方向Yに沿って交互に配設している。
上述した第2実施形態の変形例2によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材80は、一の流通方向Yに沿って突出部(たとえば起立片32)と重複する規制部(たとえばストッパー63)と、一の流通方向Yに沿って突出部(たとえば起立片32)と重複しない規制部(たとえばストッパー73)とを、一の流通方向Yに対して交互に形成している。
このような構成によれば、アノード側セパレータ11およびカソード側セパレータ12との間における、変形吸収部材80の積層方向Xに対する疎密のばらつきを、流体供給口から冷却流体排出口に沿った一の流通方向Yと、一の流通方向Yと直交する他の流通方向Zにおいて、均等に抑制することができる。すなわち、一の流通方向Yと、他の流通方向Zにおいてもストッパー73と起立片32とを、千鳥状に交互に配設していることから、変形吸収部材70の積層方向Xに対する疎密のばらつきを、効果的に抑制できる。
(第2実施形態の変形例3)
第2実施形態の変形例3に係る変形吸収部材90について、図21〜図23を参照しながら説明する。
図21は、変形吸収部材90の一部を示す斜視図である。図22は、図21中の領域Lにおける変形吸収部材90の一部を示す平面図である。図23は、図21中のM−M’線における変形吸収部材90の一部を模式的に示す側面図である。
第2実施形態の変形例3に係る変形吸収部材90は、規制部(たとえばストッパー93)が積層部材から押圧されると変形する構成が、前述した第2実施形態と異なる。
第2実施形態の変形例3においては、前述した第2実施形態と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。
変形吸収部材90のストッパー93は、変形吸収部材60のストッパー63と同様に、基材31の一面31aを矩形状に打ち抜いた後、その打抜孔31dから起ち上げて形成している。ストッパー93は、ストッパー63と同様に、基材31に対して片持ち梁状の構造を有している。一方、ストッパー93は、ストッパー63と異なり、一の流通方向Yに対して交差し、積層方向Xに沿って傾斜するように起立している。ストッパー93は、積層方向Xに対して、起立片32と同じ方向に傾斜している。ストッパー93は、変形前の起立片32と比較して、積層方向Xに対して短尺である。ストッパー93は、起立片32を変形させつつ押圧してきた積層部材を係留することによって、積層方向Xに沿った積層部材の変形を一定の範囲内に規制する。ストッパー93は、積層方向Xに沿って傾斜して起立していることから、積層部材から積層方向Xに沿って押圧された場合に、ストッパー93自体が弾性変形する。
上述した第2実施形態の変形例3によれば、以下の構成によって作用効果を奏する。
変形吸収部材90において、規制部(たとえばストッパー93)は、積層部材(たとえば、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12からなるセパレータユニット10や膜電極接合体20)から押圧されると少なくとも弾性変形しつつ、それらの積層部材の変形を規制する。
このような構成によれば、たとえば、ストッパー93を積層方向Xに沿って傾斜して起立させることによって、ストッパー93は、積層部材から積層方向Xに沿って押圧された場合に、弾性変形することができる。したがって、積層部材をストッパー93によって変形を一定の範囲内に規制しつつ、押圧する積層部材と押圧されるストッパー93とを互いに過度に付勢させ合うことなく、各々の損傷を防止することができる。すなわち、ストッパー93は、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12の変形をストッパー93によって軽減しつつ、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12との間に設けた冷却水流路14の体積の変化量を小さくすることができる。
そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。
たとえば、膜電極接合体20の一面側に、変形吸収部材30を挟持したセパレータユニット10(アノード側セパレータ11およびカソード側セパレータ)を配設し、かつ、膜電極接合体20の他面側に、変形吸収部材30を挟持しない単独のセパレータを配設することができる。すなわち、膜電極接合体20の積層方向Xに沿った両面のうちのいずれか片面のみに、変形吸収部材30を挟持したセパレータユニット10(アノード側セパレータ11およびカソード側セパレータ)を配設すればよい。
さらに、変形吸収部材30は、弾性変形可能なバネの機能を有する起立片32を基材31に備えた構成に限定されることなく、たとえば伸縮性を備えた凸部を基材31に接合する構成によって、積層部材の変形を吸収することができる。
さらに、第1実施形態と第2実施形態を組み合わせて構成することができる。すなわち、たとえば、基材31に対して複数の起立片32を千鳥状に形成し、かつ、基材31に対してストッパー63を形成することができる。
同様に、たとえば、第2実施形態の変形例1に係る変形吸収部材70のストッパー73を、第2実施形態の変形例3に係る変形吸収部材90のストッパー93と同様に積層方向Xに沿って傾斜させて、積層部材から押圧されると変形する構成とすることができる。
さらに、起立片32は、矩形状に限定されることはなく、たとえば、固定端部32aから一の流通方向Yに沿って延在させた自由端部32bの幅を先細りさせることによって、舌状に構成することができる。
さらに、変形吸収部材30は、起立片32をアノード側セパレータ11に当接させる構成に限定されることなく、起立片32をカソード側セパレータ12に当接させる構成とすることができる。
本出願は、2013年8月5日に出願された日本特許出願番号2013−162542号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
1 燃料電池、
10 セパレータユニット、
11 アノード側セパレータ、
12 カソード側セパレータ、
13 アノードガス流路、
14 冷却水流路、
15 カソードガス流路、
20 膜電極接合体、
21 電解質膜、
22 アノード、
23 カソード、
24 枠体、
30,40,50,60,70,80,90 変形吸収部材、
31 基材、
31a 一面、
31b,31c,31d,31e 打抜孔、
32,52 起立片(突出部に相当)、
32M 一の起立片(突出部に相当)、
32N 他の起立片(突出部に相当)、
32a,52a 固定端部、
32b,52b 自由端部、
41 保持部材、
63,73,93 ストッパー(規制部に相当)、
100 筺体、
101,102 エンドプレート、
103,104 集電板、
106 締結板、
107 補強板、
108 ネジ、
11a,12a,24a,101a,103a アノードガス供給口、
11b,12b,24b,101b,103b 冷却流体供給口、
11c,12c,24c,101c,103c カソードガス供給口、
11d,12d,24d,101d,103d カソードガス排出口、
11e,12e,24e,101e,103e 冷却流体排出口、
11f,12f,24f,101f,103f アノードガス排出口、
11g,12g 流路部、
101j,102j 貫通孔、
103h,104h 集電部、
103i,104i 突起部、
A,C,E,G,J,L 領域、
W 流通経路、
X 積層方向、
Y 一の流通方向、
Z 他の流通方向。

Claims (8)

  1. 対をなして組み付けるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層して用い、燃料電池の積層部材における各々の変形を吸収する変形吸収部材であって、
    前記積層部材の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備え、
    前記吸収部は、薄板状の基材の一面から前記積層方向に沿って格子状に突出し、変形自在な薄板状の突出部を備え、
    一の突出部と他の突出部は、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間で流通させる冷却媒体の一の流通方向の上流側と下流側とで隣り合い、前記一の流通方向と前記基材に沿って直交した他の流通方向に対して互いの位置を一部異ならせて配設し、
    前記突出部は、前記基材の前記一面から起立させた片持ち梁状の起立片からなり、
    前記起立片は、前記積層部材から押圧され一定の範囲を超えて変形すると、前記基材の前記一面に位置する固定端部から前記一の流通方向に沿って延在させた自由端部を、前記アノード側セパレータまたは前記カソード側セパレータに接触させる変形吸収部材。
  2. 対をなして組み付けるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層して用い、燃料電池の積層部材における各々の変形を吸収する変形吸収部材であって、
    前記積層部材の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備え、
    薄板状の基の一面と対向する他面に当接し、板状からなる保持部材を備え
    前記吸収部は、前記基材の前記一面から前記積層方向に沿って格子状に突出し、変形自在な薄板状の突出部を備え、
    一の突出部と他の突出部は、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間で流通させる冷却媒体の一の流通方向の上流側と下流側とで隣り合い、前記一の流通方向と前記基材に沿って直交した他の流通方向に対して互いの位置を一部異ならせて配設した変形吸収部材。
  3. 対をなして組み付けるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層して用い、燃料電池の積層部材における各々の変形を吸収する変形吸収部材であって、
    前記積層部材の積層方向に沿った変形に伴う応力の面内分布のばらつきを吸収する吸収部を備え、
    前記吸収部は
    薄板状の基の一面から前記積層方向に沿って格子状に突出し、変形自在な薄板状の突出部と、
    前記一面から前記積層方向に沿って突出し、変形前の前記突出部と比較して前記積層方向に短尺であって、前記積層方向に沿った前記積層部材の変形を一定の範囲内に規制する規制部と、を備えた変形吸収部材。
  4. 前記規制部は、一の流通方向に沿って前記突出部と重複しない請求項3に記載の変形吸収部材。
  5. 一の流通方向に沿って前記突出部と重複する前記規制部と、一の流通方向に沿って前記突出部と重複しない前記規制部とを、一の流通方向に対して交互に形成した請求項3に記載の変形吸収部材。
  6. 前記規制部は、前記積層部材から押圧されると変形せずに、前記積層部材の変形を規制する請求項3〜5のいずれか1項に記載の変形吸収部材。
  7. 前記規制部は、前記積層部材から押圧されると少なくとも弾性変形しつつ、前記積層部材の変形を規制する請求項3〜5のいずれか1項に記載の変形吸収部材。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の変形吸収部材と、
    前記変形吸収部材をアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に積層するセパレータユニットと、
    前記セパレータユニットに積層し、供給される燃料媒体を用いて発電する膜電極接合体と、
    前記変形吸収部材、前記セパレータユニット、および前記膜電極接合体を一体に保持する筺体と、を有する燃料電池。
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