JP6168292B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、複数の単セルを積層して成る積層体を備えた燃料電池スタックに関し、とくに、固体高分子型の燃料電池スタックに関するものである。

この種の燃料電池スタックとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池スタックは、複数の単セルを積層した積層体を備え、積層体の積層方向の両端部に、集電板及び端板が夫々配置してある。そして、燃料電池スタックは、積層体の両端部において、各集電板と端板との間にコイルばねを介装しており、これにより積層体の積層方向に荷重を付与して、反応用ガスのシール性等を維持するようにしている。

特開２００９−１８７７７８号公報

ところで、上記の燃料電池スタックを構成する単セルは、一般的に、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造であり、中央部分に膜電極接合体による発電領域を有すると共に、周縁部に、反応用ガスをシールするためのシール部材が配置してある。

ところが、上記したような従来の燃料電池スタックでは、積層体の端面に対して、その面内方向（面に沿う方向）に均一な荷重を付与していたため、膜電極接合体を構成する電解質膜の膨潤及び収縮による変位の吸収と、周縁部のシール性の確保とを両立させることが困難であり、このような問題点を解決することが課題であった。

つまり、この種の燃料電池スタックでは、積層体に対する荷重を膜電極接合体の変位の吸収に合わせると、周縁部に対する荷重が不足してシール性が低下するおそれがあり、逆に、積層体に対する荷重をシール性の確保に合わせると、膜電極接合体に対する荷重が過大になって部品を破損するおそれがある。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、複数の単セルを積層して成る積層体を備えた燃料電池スタックであって、膜電極接合体を構成する電解質膜の膨潤及び収縮による変位の吸収と、周縁部のシール性の確保との両立を実現することができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。

本発明に係わる燃料電池スタックは、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを発電要素とし、この単セルを複数枚積層して成る積層体を備えたものである。そして、燃料電池スタックは、単セルの周縁部に対応する位置で積層体の積層方向の変位を吸収する第１変位吸収手段と、膜電極接合体の発電領域に対応する位置で積層体の積層方向の変位を吸収する第２変位吸収手段を備え、前記第１変位吸収手段が、弾性材料から成る弾性部材であり、前記膜電極接合体が、その周囲にフレームを有すると共に、フレーム及びセパレータが、反応用ガス及び冷却用流体を流通させるためのマニホールド穴を備えており、前記第１変位吸収手段である弾性部材が、単セルの周縁部及びマニホールド穴の周縁部に対応している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる燃料電池スタックは、単セルの周縁部に対応する位置と、膜電極接合体の発電領域に対応する位置に対して、互いに独立した第１及び第２の変位吸収手段を配置したことにより、夫々の位置に適した変位吸収量を設定することが可能になり、膜電極接合体を構成する電解質膜の膨潤及び収縮による変位の吸収と、周縁部のシール性の確保との両立を実現することができる。また、上記の燃料電池スタックは、第１変位吸収手段として、弾性材料から成る弾性部材を採用したので、樹脂成形等によって弾性部材を容易に大量生産することが可能であり、弾性部材が、単セルの周縁部及びマニホールド穴の周縁部に対応したものであるから、単一部品によって上記した周縁部のシール性を確保する機能を充分に得ることができる。

本発明の燃料電池スタック構造を説明する燃料電池スタックの斜視図（Ａ）及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。 図１に示す単セルを分解状態にして示す平面図である。 燃料電池スタックの第１実施形態を説明する斜視図（Ａ）、第１変位吸収手段の端部の平面図（Ｂ）、及び第２変位吸収手段の側面図（Ｃ）である。 燃料電池スタックの第２実施形態を説明する斜視図（Ａ）、第２変位吸収手段の端部の側面図（Ｂ）、及び単セル及び第２変位吸収手段を示す斜視図（Ｃ）である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、とくに図１（Ｂ）に示すように、発電要素である単セルＣを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールＭと、セルモジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の単セルＣ及びシールプレートＰは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、単セルＣの長辺側の積層端面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、セルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

単セルＣは、図２に示すように、膜電極接合体２を一対のセパレータ、すなわちアノード側及びカソード側のセパレータ３，４で挟持した構造を有している。この実施形態の膜電極接合体２は、その周囲に樹脂製のフレーム１を一体的に有している。このフレーム１及びセパレータ３，４は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。

フレーム１は、膜電極接合体２を中央に配置して、短辺側の両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極接合体２に至る間がガスの整流等を行うためのディフューザ領域Ｄである。また、膜電極接合体２の部分が発電領域Ｇである。

膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層を燃料極層（アノード）と空気極層（カソード）とで挟持した構造を有している。この膜電極接合体２は、燃料極層にアノードガス（水素）が供給されると共に、空気極層にカソードガス（水素）が供給されて、電気化学反応により発電をする。

各セパレータ３，４は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ３，４は、膜電極接合体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。

これにより、各セパレータ３，４は、波形状における膜電極接合体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極接合体２に接触すると共に、波形状における各凹部分がガス流路となる。また、各セパレータ３Ａ，３Ｂは、短辺側の両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６と同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有している。

フレーム１及び各セパレータ３，４において、図２の左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、アノードガス供給用（Ｈ１）、冷却用流体排出用（Ｈ２）及びカソードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、カソードガス供給用（Ｈ４）、冷却流体供給用（Ｈ５）及びアノードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。

また、フレーム１及び各セパレータ３，４の周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール部材Ｓが連続的に配置してある。これらのシール部材は、接着剤としても機能するもので、フレーム１及び膜電極接合体２とセパレータ３，４とを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール部材Ｓは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。

上記の単セルＣは、所定枚数を積層してセルモジュールＭを形成する。このとき、隣接する単セルＣ同士の間には、冷却液（例えば水）の流路を形成し、隣接するセルモジュールＭ同士の間にも冷却液の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、セルモジュールＭ同士の間、すなわち冷却液の流路内に配置されている。

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルＣとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルＣと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。このシールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材５１及び内周シール部材５２が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材５１により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材５２によりセルモジュールＭ間の流路を流通する冷却液の漏出を防止する。

ここで、本発明に係わる上記の燃料電池スタックＦＳは、膜電極接合体２を一対のセパレータ３，４で挟持した構造を有する単セルＣを発電要素とし、この単セルＣを複数枚積層して成る積層体を備えたものである。上記の如く、積層体は、複数の単セルＣを積層したものであるから、この実施形態における積層体は、セルモジュールＭや、複数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａである。

そして、燃料電池スタックＦＳは、図３（Ａ）に示すように、単セルＣの周縁部に対応する位置でセルモジュール（積層体）Ｍの積層方向の変位を吸収する第１変位吸収手段と、膜電極接合体１の発電領域Ｇに対応する位置でセルモジュールＭの積層方向の変位を吸収する第２変位吸収手段を備えている。また、燃料電池スタックＦＳは、第１変位吸収手段の変位吸収量よりも、第２変位吸収手段の変位吸収量が大きいものとなっている。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュール（積層体）Ｍの積層方向の両端部に配置される端部プレートを備え、セルモジュールＭと少なくとも片側の端部プレートとの間に、第１及び第２の変位吸収手段を配置している。なお、この実施形態の端部プレートは、シールプレートＰやエンドプレート５６Ａ，５６Ｂであり、積層体がセルモジュールＭである場合には、主としてシールプレートＰである。また、積層体が複数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体Ａの場合には、端部プレートは、主としてエンドプレート５６Ａ，５６Ｂであるが、これに限定されることはない。

第１変位吸収手段は、合成ゴムや合成樹脂などの弾性材料から成る弾性部材１１であって、所定の変位吸収量（弾性力）を確保し得る硬さ及び厚さを有する。この実施形態の燃料電池スタックＦＳは、先述したように、膜電極接合体２が、その周囲にフレーム１を有すると共に、フレーム１及びセパレータ３，４が、反応用ガス及び冷却用流体を流通させるためのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を備えている。これに対して、弾性部材１１は、単セルＣの周縁部及びマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部に対応した形状を有している。

より具体的には、弾性部材１１は、図３（Ｂ）に端部を示すように、単セルＣの周縁部に対応する矩形状の外枠部１１Ａと、両短辺側の夫々のマニホールド穴群（Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６）に対応する内枠部１１Ｂ，１１Ｂとを一体的に備えている。この弾性部材１１は、単セルＣの周縁部及びマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部に対応することで、フレーム１，セパレータ３，４及びシールプレートＰに配置したシール部材Ｓ，５１，５２にも対応している。

なお、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、図１及び図２には四角形のものを例示し、図３には円形のものを例示した。これらのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、互いに形状が異なるだけで機能は同じであり、いずれの形状を採用しても良いし、それ以外の形状にすることも当然可能である。

第２変位吸収手段は、複数のばね部材から成るものであって、この実施形態では、図３（Ｃ）にも示すように、複数のばね部材として三個の圧縮コイルばね１２Ａ〜１２Ｃを採用し、これらを単セルＣの長辺方向に沿って等間隔に配置している。

さらに、図３（Ａ）に示す実施形態では、セルモジュール（積層体）Ｍの積層両側（図の上下側）において、セルモジュールＭとシールプレートＰとの間に、二つの弾性部材１１，１１と、三個の圧縮コイルばね１２Ａ〜１２Ｃを夫々配置している。また、二つの弾性部材１１，１１の間には、スペーサ１３が介装してある。

スペーサ１３は、圧縮コイルばね１２Ａ〜１２Ｃとの干渉を避けるための開口部１３Ａを有し、弾性部材１１と圧縮コイルばね１２Ａ〜１２Ｃとの高さを調整すると共に、弾性部材１１同士の接触を阻止している。このスペーサ１３は、弾性部材１１同士の接触によるずれや変形が生じないようにし、各弾性部材１１の所定形状を維持して夫々の変位吸収量を確保する機能も有している。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳでは、発電及び停止に伴って、膜電極接合体２を構成する電解質膜の膨潤及び収縮が発生し、とくに膨潤時には、各単セルＣの電解質膜の僅かな変形量が合成されて、セルモジュールＭ全体が中央部を膨出させるように変形する。このため、積層体の端面に均一な荷重を付与する従来構造では、その荷重を膜電極接合体の変位吸収に合わせると、周縁部のシール性が低下するおそれがあり、逆に、その荷重をシール性の確保に合わせると、膜電極接合体の部品を破損するおそれがある。

これに対して、上記の燃料電池スタックＦＳでは、単セルＣの周縁部に対応する位置と、膜電極接合体２の発電領域Ｇに対応する位置に対して、互いに独立した弾性部材（第１変位吸収手段）及び圧縮コイルばね（第２変位吸収手段）１２Ａ〜１２Ｃを配置したので、夫々の位置に適した変位吸収量を設定することが可能になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、膜電極接合体２を構成する電解質膜の膨潤及び収縮による変位の吸収と、周縁部のシール性の確保との両立を実現することができる。

また、燃料電池スタックＦＳでは、弾性部材（第１変位吸収手段）の変位吸収量よりも、圧縮コイルばね（第２変位吸収手段）１２Ａ〜１２Ｃの変位吸収量が大きいので、積層方向の変位量が小さい周縁部と、積層方向の変位量が大きい発電領域Ｇとの夫々に対応したものとなる。そして、燃料電池スタックＦＳは、とくに、発電領域Ｇにおいて、膜電極接合体２と各セパレータ３，４との面圧を充分に且つ均一に確保し得るので、発電性能や導電性能の向上を図ることができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュール（積層体）Ｍと少なくとも片側の端部プレート（Ｐ，５６Ａ，５６Ｂ）との間に、第１及び第２の変位吸収手段を配置したので、少ない部品点数で、膜電極接合体２の変位吸収と、周縁部のシール性の確保との両立を実現することができ、全体構造の小型軽量化や製造コストの低減に貢献し得る。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、第１変位吸収手段として、弾性材料から成る弾性部材１１を採用したので、樹脂成形等によって弾性部材１１を容易に大量生産することが可能である。また、弾性部材１１は、単セルの周縁部及びマニホールド穴の周縁部に対応した形状であるから、単一部品によって上記した周縁部のシール性を確保する機能を充分に得ることができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、第２変位吸収手段として、複数のばね部材を採用したので、比較的安価に第２変位吸収手段を得ることができ、とくに、複数のばね部材として圧縮コイルばね１２Ａ〜１２Ｃを採用したので、比較的安価であるうえに、簡単な構成で膜電極接合体２の変位を吸収する機能を充分に得ることができる。なお、上記実施形態では、ばね部材として、圧縮コイルばねを例示したが、この他に板ばねや皿ばねなどのばね部材を採用することも可能である。

〈第２実施形態〉
図４は、本発明の燃料電池スタックの第２実施形態を説明する図である。なお、先の第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図４（Ａ）に示す燃料電池スタックＦＳは、セルモジュール（積層体）Ｍの積層方向の端部（上端部）において、セルモジュールＭと端部プレートであるシールプレートＰとの間に、第１変位吸収手段としての二つの弾性部材１１と、スペーサ１３と、第２変位吸収手段としての複数のばね部材を備えており、複数のばね部材が三個のベローズ１４Ａ〜１４Ｃである。

なお、図示の燃料電池スタックＦＳでは、セルモジュールＭの積層方向の下端部側の構成を省略したが、その下端部に、上端部と同様の第１及び第２の変位吸収部材を配置しても良い（図３参照）。また、第１及び第２の変位吸収部材は、積層体の少なくとも片側に配置してあれば良いので、積層体の片側に配置しない場合もあり得る。さらに、第１及び第２の変位吸収手段は、積層体の一方の端部に両方を配置し、他方の端部にいずれか一方を選択的に配置しても良いし、積層体の一方の端部に第１を配置して他方の端部に第２を配置しても良い。

図４（Ｂ）にも示すベローズ１４Ａ〜１４Ｃは、例えば樹脂製であり、図４要求される積層方向の変位吸収量などに応じて、中空の内部に空気等の流体や弾性材を封入したものや、内外を連通させる小孔を形成したもの、少なくとも片側が開放されたものなどを用いることができる。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳにあっても、第１実施形態と同様に、単セルＣの周縁部に対応する位置と、膜電極接合体２の発電領域Ｇに対応する位置に対して、互いに独立した弾性部材（第１変位吸収手段）及びベローズ（第２変位吸収手段）１４Ａ〜１４Ｃを配置したので、夫々の位置に適した変位吸収量を設定することが可能になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、膜電極接合体２を構成する電解質膜の膨潤及び収縮による変位の吸収と、周縁部のシール性の確保との両立を実現することができる。

また、燃料電池スタックＦＳは、第２変位吸収手段として、複数のばね部材であるベローズ１４Ａ〜１４Ｃを採用したので、比較的安価に第２変位吸収手段を得ることができると共に、軽量であるという利点がある。

ここで、本発明の燃料電池スタックＦＳは、第２変位吸収手段が、膜電極接合体２の発電領域Ｇの少なくとも中央部に対応する位置で積層体の積層方向の変位を吸収する手段とすることができる。これは、先述したように、積層体（Ｍ，Ａ）では、各単セルＣの電解質膜が膨潤した場合、個々の僅かな変形量が合成されて、全体が中央部を膨出させるように変形する。

そこで、燃料電池スタックＦＳは、上記した積層体の中央部の膨出変形に対処する場合には、発電領域Ｇの少なくとも中央部に対応する位置に第２抑制手段を配置するのが有効である。これにより、燃料電池スタックＦＳは、積層体の中央部の変形を充分に吸収することができ、とくに、発電領域Ｇにおいて、膜電極接合体２と各セパレータ３，４との面圧を充分に且つ均一に確保して、発電性能や導電性能の向上を実現する。

さらに、本発明の燃料電池スタックＦＳは、第２変位吸収手段である複数のばね部材が、互いに異なるばね定数を有している構成にすることができる。このとき、ばね部材は、第１及び第２の実施形態で説明した圧縮コイルばね１２Ａ〜１２Ｃや、ベローズ１４Ａ〜１４Ｃなどを用いることができ、ばね定数が大きくなれば変位吸収量が小さくなり、ばね定数が小さくなれば変位吸収量が大きくなる。

したがって、燃料電池スタックＦＳは、図４（Ｃ）に示すように、発電領域Ｇに対して、３個のベローズ１４Ａ〜１４Ｃを配置した場合、先述したように積層体の中央部の膨出変形に対処する場合には、中央部のベローズ１２Ｂのばね定数を小さくして変位吸収量を大きくする。この場合には、両側のベローズ１２Ａ，１２Ｃのばね定数を中央部よりも大きくすることで、周縁部に配置した第１変形吸収手段の変位吸収量との差を小さくすることが可能になり、単セルＣの面内方向における変位吸収量の急激な変化を防止する。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、中央部のばね部材と両側のばね部材のばね定数を変えるだけでなく、例えば、反応用ガスの流通域によっても電解質膜の膨潤・収縮の量が変わるので、反応用ガスの流通方向において、ばね部材のばね定数を順次増大若しくは減少させても良い。

なお、本発明に係わる燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各実施形態の構成を組み合わせたり、各部材の材料、形状、大きさ及び数などを変更したりすることが可能である。

Ａ 積層体
Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｇ 発電領域
Ｈ１〜Ｈ６ マニホールド穴
Ｍ セルモジュール（積層体）
Ｐ シールプレート（端部プレート）
１ フレーム
２ 膜電極接合体
３，４ セパレータ
１１ 弾性部材（第１変位吸収手段）
１２Ａ〜１２Ｃ 圧縮コイルばね（第２変位吸収手段であるばね部材）
１４Ａ〜１４Ｃ ベローズ（第２変位吸収手段であるばね部材）
５６Ａ，５６Ｂ エンドプレート（端部プレート）

Claims (7)

1. 膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを発電要素とし、この単セルを複数枚積層して成る積層体を備えた燃料電池スタックであって、
   単セルの周縁部に対応する位置で積層体の積層方向の変位を吸収する第１変位吸収手段と、
   膜電極接合体の発電領域に対応する位置で積層体の積層方向の変位を吸収する第２変位吸収手段を備え、
   前記第１変位吸収手段が、弾性材料から成る弾性部材であり、
   前記膜電極接合体が、その周囲にフレームを有すると共に、フレーム及びセパレータが、反応用ガス及び冷却用流体を流通させるためのマニホールド穴を備えており、
   前記第１変位吸収手段である弾性部材が、単セルの周縁部及びマニホールド穴の周縁部に対応していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 第１変位吸収手段の変位吸収量よりも、第２変位吸収手段の変位吸収量が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 積層体の積層方向の両端部に配置される端部プレートを備え、
   積層体と少なくとも片側の端部プレートとの間に、第１及び第２の変位吸収手段を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 第２変位吸収手段が、膜電極接合体の発電領域の少なくとも中央部に対応する位置で積層体の積層方向の変位を吸収する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 第２変位吸収手段が、複数のばね部材から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 第２変位吸収手段である複数のばね部材が、圧縮コイルばね、板ばね、皿ばね及びベローズのうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 第２変位吸収手段である複数のばね部材が、互いに異なるばね定数を有していることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池スタック。

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