JP6291674B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
膜電極接合体と、該膜電極接合体に接続されるフレームと、前記膜電極接合体を覆う一対のセパレータである第1セパレータおよび第2セパレータとを備える燃料電池セルが複数積層され、該積層された複数の燃料電池セルの各燃料電池セルに供給される反応ガスの集合部としてのマニホールド集合通路および該マニホールド集合通路から分岐したマニホールド分岐通路を備えるマニホールドが形成された燃料電池スタックにおいて、前記セパレータおよび前記フレームには、前記マニホールド集合通路を構成する開口部が形成され、前記セパレータは、板状部材が成型されることで凹部および凸部からなる凹凸形状を付与されたものであり、1の燃料電池セルの前記セパレータにおける前記凸部のうち前記開口部の周囲を囲む凸部であるシール部と当該1の燃料電池セルに隣接する燃料電池セル側のセパレータとの協働により前記燃料電池スタックの外部に対して前記マニホールド集合通路がシールされ、少なくとも1つの前記シール部に前記凹部と前記凸部とが交互に連なり、該交互に連なる前記凸部と前記フレームとによって前記マニホールド分岐通路が区画されている燃料電池スタック。
以下、燃料電池スタックの第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示す第1セパレータ20は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル10が備えるものである。第1セパレータ20は、金属製の薄板状部材にプレス加工により凹部22および凸部24からなる凹凸形状を付与されたものである。凸部24には、燃料電池セル10の内部において反応ガスの通路を区画したり、反応ガスや冷却水を流通させる通路を燃料電池スタックの外部から遮断するシール構造を構成したりする役割がある。なお、図1においては、凸部24の特定の部分を指し示すために、「24(a)〜24(i)」という符号を記載している。ここで、「(a)〜(i)」は、凸部24のどの部分かを特定するための記号である。また、後の説明の便宜上、凹部22についても特定の部分を凹部22(i)として差別化して記載している。
図示されるように、燃料電池セル10は、第1セパレータ20と、第2セパレータ40と、フレーム50と、膜電極接合体70とを備えている。
図示されるように、第2セパレータ40における開口部39の周縁の図中右側は、凹部42となってフレーム50に接触している。そして、これら凹部42とフレーム50とによって、開口部39によって構成されるマニホールド集合通路MAに対して燃料電池セル10内をシールしている。一方、第2セパレータ40における開口部39の周縁の図中左側は、凹部42(i)と凸部44(i)とが交互に出現する形状となっている。詳しくは、これら凹部42(i)および凸部44(i)は、凸部44(e)の延設方向の直交方向に延びている。そして、開口部39を区画する左側の凹部42(i)および凸部44(i)は、凸部44(e)に連なっている。ここで、開口部39を囲む凸部44(e)は、隣接する燃料電池セル10の第1セパレータ20の凸部24にゴム80を介して接触する。これにより、開口部39を囲む凸部44(e)は、開口部39によって構成されるマニホールド集合通路MAを燃料電池スタックの外部に対してシールするシール部を構成する。
開口部30によって構成されるマニホールド集合通路MA内を流れる冷却水の一部は、隣接する一対の燃料電池セル10の一方の第1セパレータ20および他方の第2セパレータ40によって区画される空間内を流動した後、開口部32によって構成されるマニホールド集合通路MAに流入する。この際、開口部30,32を囲む凸部24である凸部24(g)がシール部となり、燃料電池スタック内の冷却水の流通通路が燃料電池スタックの外部に対してシールされている。
以上説明した本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
(2)第1セパレータ20を、シール部としての凸部24(b)に凹部22(i)および凸部24(i)が連なるように形成し、これによってマニホールド分岐通路MBを構成した。この場合、図2において、第1セパレータ20のうちのシール部としての凸部24(b)よりも開口部34側の部分を一律凸部24(i)とする場合と比較して、凸部24(b)の剛性を高めることができる。このため、凸部24(b)とこれにゴム80を介して間接的に接触する第2セパレータ40とが互いに作用反作用の力を及ぼしあう際に、第1セパレータ20および第2セパレータ40が過度に変形して、シール性が損なわれる事態を好適に抑制することができる。
以下、第2の実施形態について、第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第3の実施形態について、第1の実施形態や第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
以下、第4の実施形態について、第1の実施形態や第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図8に、本実施形態にかかる燃料電池セル10の断面構成を示す。なお、図8は、図2に対応する断面図である。図示されるように、第1セパレータ20における開口部34の周縁は一律凹部22となっている。そして、第1セパレータ20のうち凸部24(b)に連なる開口部34側の部分に、孔90が形成されている。一方、凸部24(b)には、開口部34とは逆側に凸部24(j)および凹部22(j)が交互に連なっている。
<第5の実施形態>
以下、第5の実施形態について、第4の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図9に示されるように、本実施形態では、凸部24(b)から開口部34の周縁に向けて連なる凸部24(i)の面積を拡大し、孔90を凸部24(i)の上面に形成する。また、シール部となる凸部24(b)の開口部34側にも、凸部24(i)および凹部22(i)を交互に連ねる。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・「シール補助部材について」
上記実施形態では、第1セパレータ20のシール部と第2セパレータ40のシール部との接触にシール補助部材としてのゴムを用いたが、これに限らない。たとえば、第1セパレータ20のシール部と第2セパレータ40のシール部との間にシール補助部材としての接着剤を介在させてもよい。もっとも、シール補助部材自体必須ではない。
第1セパレータ20としては、金属性の薄板状部材がプレス加工により起伏を有するように成形されたものに限らない。たとえば、弾性を有するカーボン素材が上記実施形態において例示したような形状に成形されたものであってもよい。
上記実施形態では、フレーム50と凹部22,42とを直接接触させることで、マニホールド集合通路MAに対して燃料電池セル10の内部をシールしたがこれに限らない。たとえば、フレーム50と凹部22,42との間に薄いゴムを介在させたり、フレーム50と凹部22,42とを接着剤を塗布した後、接触させたりしてもよい。
上記実施形態では、隣接する一対の燃料電池セル10のうちの一方の第1セパレータ20と他方の第2セパレータ40との間の空間を冷却水の通路としたがこれに限らない。たとえば、これら一方の第1セパレータ20と他方の第2セパレータ40との間に起伏を有しないフラットセパレータを備え、一方の第1セパレータ20とフラットセパレータとの間の空間と、他方の第2セパレータ40とフラットセパレータとの間の空間とのそれぞれを各別の冷却水の通路としてもよい。もっともこれに限らず、1の燃料電池セル10を構成する第1セパレータ20および第2セパレータ40によって区画される燃料電池セル10の内部に冷却水の通路を形成してもよい。
各燃料電池セル用の流体としては、上記実施形態に例示したものに限らない。たとえば、流体のうちの反応ガスとしては、酸素ガスに代えて空気を用いてもよい。また、流体のうちの冷媒としては、冷却水に限らず、フロン等の気体であってもよい。
Claims (5)
- 膜電極接合体と、該膜電極接合体に接続されるフレームと、前記膜電極接合体を覆う一対のセパレータである第1セパレータおよび第2セパレータとを備える燃料電池セルが複数積層され、該積層された複数の燃料電池セルの各燃料電池セルに供給される反応ガスの集合部としてのマニホールド集合通路および該マニホールド集合通路から分岐したマニホールド分岐通路を備えるマニホールドが形成された燃料電池スタックにおいて、
前記第1、第2セパレータおよび前記フレームには、前記マニホールド集合通路を構成する開口部が形成され、
前記第1、第2セパレータは、板状部材が成型されることで凹部および凸部からなる凹凸形状を付与されたものであり、
1の燃料電池セルの前記第1セパレータにおける前記凸部のうち前記開口部の周囲を囲む凸部であるシール部と当該1の燃料電池セルに隣接する燃料電池セル側の前記第2セパレータとの協働により前記燃料電池スタックの外部に対して前記マニホールド集合通路がシールされ、
少なくとも1つの前記シール部のうち当該シール部によって囲まれる前記開口部側に前記凹部と前記凸部とが交互に連なり、該交互に連なる前記凸部と前記フレームとによって前記マニホールド分岐通路が区画されている燃料電池スタック。 - 前記開口部側に連なる前記凸部が前記開口部の周縁を構成する請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記開口部側に連なる前記凹部には、前記開口部側において前記凸部が連なり、当該凸部が前記開口部の周縁を構成する請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記第1セパレータは、前記少なくとも1つの前記シール部によって囲まれる前記開口部の周縁を前記凹部によって構成するものであり、当該シール部と当該凹部との間に孔が形成されている請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記第1、第2セパレータは、金属製のセパレータであり、
前記凹凸形状は、プレス加工によって成形されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
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