JP6343638B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備えた燃料電池スタックに関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セルを構成している。発電セルが所定の数だけ積層した積層体を備えた燃料電池スタックが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
燃料電池スタックでは、セパレータとして金属セパレータが使用される場合がある。その際、金属セパレータには、酸化剤ガス及び燃料ガスである反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材が設けられている（例えば、特許文献１参照）。シール部材は、フッ素系やシリコーン等の弾性ゴムシールが使用されており、コストが高騰するという問題がある。
そこで、例えば、特許文献２に開示されているように、弾性ゴムシールに代えて、金属セパレータにシーリングビードを形成する構成が採用されている。
ところで、電解質膜・電極構造体の両側に配設された各金属セパレータにシーリングビードを形成することがある。このシーリングビードは、電解質膜・電極構造体の外周に設けられた枠部に接触するように積層体の積層方向に突出している。そして、シーリングビードが弾性変形するようにインシュレータによって積層体が積層方向から挟持されることにより、反応ガスや冷却媒体の漏れが防止される。
しかしながら、この場合、電解質膜・電極構造体に設けられた枠部にはその両側のシーリングビードの弾性力が作用する一方、インシュレータにはシーリングビードの弾性力が片側からしか作用していないため、積層体の積層方向端部のシール性の低下が惹起される。そのため、積層体の積層方向端部のシール性を向上させることが望まれている。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、積層体の積層方向端部のシール性を向上させ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する。
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備える。金属セパレータには、電解質膜・電極構造体の外周部又は外周部に設けられた枠部に接触するように積層体の積層方向に向かって突出したシール用ビード部が形成されている。積層体の積層方向両側には、シール用ビード部が弾性変形するように積層体を積層方向に挟持するインシュレータ及びエンドプレートが配設されている。
インシュレータ又はエンドプレートには、積層方向の最端部に位置する金属セパレータのシール用ビード部に当接する弾性シール部材が設けられ、前記金属セパレータには、前記電極に反応ガスを供給するためのガス流路と、前記反応ガス及び冷却媒体が流通する複数の連通孔と、が形成され、前記シール用ビード部は、前記ガス流路を周回するとともに前記連通孔の周囲に設けられている。
また、上記燃料電池スタックにおいて、インシュレータ又はエンドプレートにおける積層体に向かう面には、弾性シール部材が配設される凹部が形成されているのが好ましい。
さらにまた、上記燃料電池スタックにおいて、積層方向の最端部に位置する金属セパレータは、電解質膜・電極構造体の外周部又は枠部における積層方向の最端部に位置する当該金属セパレータとは反対側を指向する面に接触する金属セパレータと同一構成であるのが好ましい。
本発明によれば、積層体の積層方向の最端部に位置する金属セパレータのシール用ビード部に当接する弾性シール部材をインシュレータ又はエンドプレートに設けている。これにより、積層体の積層方向端部の金属セパレータのシール用ビード部には弾性シール部材の弾性力が作用し、弾性シール部材には当該シール用ビード部の弾性力が作用するため、積層体の積層方向端部のシール性を向上させることができる。
以下、本発明に係る燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。
積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。
図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。
発電セル１２は、図３及び図４に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。
発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。
図３に示すように、外周に枠形状の樹脂フィルム（枠部）４６を有する樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するアノード電極４２及びカソード電極４４とを有する。
固体高分子電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。固体高分子電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。固体高分子電解質膜４０は、電極外周と重なり部４１を有する。
アノード電極４２は、固体高分子電解質膜４０の一方の面４０ａに接合される第１電極触媒層４２ａと、前記第１電極触媒層４２ａに積層される第１ガス拡散層４２ｂとを設ける。第１電極触媒層４２ａは、第１ガス拡散層４２ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜４０と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。なお、第１電極触媒層４２ａは、第１ガス拡散層４２ｂと同一の外形寸法を有してもよい。
カソード電極４４は、固体高分子電解質膜４０の面４０ｂに接合される第２電極触媒層４４ａと、前記第２電極触媒層４４ａに積層される第２ガス拡散層４４ｂとを設ける。第２電極触媒層４４ａは、第２ガス拡散層４４ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜４０と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。なお、第２電極触媒層４４ａは、第２ガス拡散層４４ｂと同一の外形寸法を有してもよい。
第１電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４４ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層４４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第１電極触媒層４２ａ及び第２電極触媒層４４ａは、固体高分子電解質膜４０の両方の面４０ａ、４０ｂに形成される。
第１ガス拡散層４２ｂの外周先端縁部と第２ガス拡散層４４ｂの外周先端縁部との間には、枠形状を有する樹脂フィルム４６が挟持される。樹脂フィルム４６の内周端面は、固体高分子電解質膜４０の外周端面に近接又は当接する。図４に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。
樹脂フィルム４６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。なお、樹脂フィルム４６を用いることなく、固体高分子電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した固体高分子電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。
図４に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。図５に示すように、酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）４８ｂを有する。
酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。
第１金属セパレータ３０の面３０ａには、プレス成形により断面が波形状の酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂと一体（又は個別）に第１シールライン（メタルビードシール）５２が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第１シールライン５２は、面３０ａの外周縁部を周回する外側ビード部（シール用ビード部）５２ａを有する。図３に示すように、第１シールライン５２の断面形状としては、先端に向かって先細り形状、先端が平坦形状又はＲ形状を有する。第１シールライン５２は、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部（シール用ビード部）５２ｂを有する。
第１シールライン５２は、さらに燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部（シール用ビード部）５２ｃを有する。外側ビード部５２ａ、内側ビード部５２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃは、面３０ａ側に凸形状を有する。なお、外側ビード部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
図４に示すように、冷却媒体入口連通孔３６ａを周回する連通孔ビード部５２ｃと内側ビード部５２ｂとの間には、入口通路部５４ａが面３０ａ側に膨出形成される。冷却媒体出口連通孔３６ｂを周回する連通孔ビード部５２ｃと内側ビード部５２ｂとの間には、出口通路部５４ｂが面３０ａ側に膨出形成される。入口通路部５４ａ及び出口通路部５４ｂは、面３０ｂ側の冷却媒体流路６６（後述する）に冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを連通させる通路を構成する。
第１シールライン５２では、図３に示すように、外側ビード部５２ａ及び内側ビード部５２ｂの凸部先端面に樹脂材５６ａが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ａは、例えば、ポリエステルが使用される。図５に示すように、連通孔ビード部５２ｃの凸部先端面には、樹脂材５６ａが印刷又は塗布等により固着される。なお、外側ビード部５２ａ、内側ビード部５２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃの平面形状を打ち抜いたシートを貼ってもよい。また、樹脂材５６ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部５８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）５８ｂを有する。
燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。
第２金属セパレータ３２の面３２ａには、プレス成形により断面が波形状の燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂと一体（又は個別）に第２シールライン（メタルビードシール）６２が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第２シールライン６２は、面３２ａの外周縁部を周回する外側ビード部（シール用ビード部）６２ａを有する。図３に示すように、第２シールライン６２の断面形状としては、先端に向かって先細り形状、先端が平坦形状又はＲ形状を有する。第２シールライン６２は、燃料ガス流路５８、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部（シール用ビード部）６２ｂを有する。
第２シールライン６２は、さらに酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部（シール用ビード部）６２ｃを有する。外側ビード部６２ａ、内側ビード部６２ｂ及び連通孔ビード部６２ｃは、面３２ａ側に凸形状を有する。なお、外側ビード部６２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
冷却媒体入口連通孔３６ａを周回する連通孔ビード部６２ｃと内側ビード部６２ｂとの間には、入口通路部６４ａが面３２ａ側に膨出形成される。冷却媒体出口連通孔３６ｂを周回する連通孔ビード部６２ｃと内側ビード部６２ｂとの間には、出口通路部６４ｂが面３２ａ側に膨出形成される。入口通路部６４ａ及び出口通路部６４ｂは、面３２ｂ側の冷却媒体流路６６（後述する）に冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを連通させる通路を構成する。
第２シールライン６２では、図３に示すように、外側ビード部６２ａ及び内側ビード部６２ｂの凸部先端面に樹脂材５６ｂが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ｂは、例えば、ポリエステルが使用される。図４に示すように、連通孔ビード部６２ｃの凸部先端面には、樹脂材５６ｂが印刷又は塗布等により固着される。なお、外側ビード部６２ａ、内側ビード部６２ｂ及び連通孔ビード部６２ｃの平面形状を打ち抜いたシートを貼ってもよい。また、樹脂材５６ｂは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。
図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、電気導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部６８ａ、６８ｂが設けられる。
端子部６８ａは、絶縁性筒体７０ａに挿入されてインシュレータ１８ａの孔部７２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部７４ａを貫通して前記エンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部６８ｂは、絶縁性筒体７０ｂに挿入されてインシュレータ１８ｂの孔部７２ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部７４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。
図２に示すように、インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４に向かって開口される凹部７６ａ、７６ｂが形成され、前記凹部７６ａ、７６ｂの底面には、孔部７２ａ、７２ｂが設けられる。
インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。
図３及び図６に示すように、インシュレータ１８ａの積層体１４に向かう面１９ａには、積層体１４の積層方向（インシュレータ１８ａ側）の最端部に位置する第２金属セパレータ３２の第２シールライン６２に当接する第１弾性シール部材８０が配設される第１凹部８２が形成されている。なお、以下の説明において、積層体１４の積層方向におけるインシュレータ１８ａ側の最端部に位置する第２金属セパレータ３２を「第２端部金属セパレータ３２ｅ」と称し、第２端部金属セパレータ３２ｅの第２シールライン６２を「第２端部シールライン６２ｅ」と称することがある。
第１弾性シール部材８０と第１凹部８２の側面８３ａとの間には、第１弾性シール部材８０が積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に弾性変形可能なように所定の隙間Ｓａが形成されている。具体的には、第１凹部８２の幅寸法は、第１弾性シール部材８０の幅寸法よりも大きく、第１弾性シール部材８０は第１凹部８２の側面８３ａに対して離間している。第１弾性シール部材８０と第１凹部８２の側面８３ａとの間隔は、略一定に設定されている。隙間Ｓａは、第１弾性シール部材８０の幅方向両側に設けられている。
第１弾性シール部材８０は、例えば、横断面が矩形状に形成されており、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。第１弾性シール部材８０は、第１凹部８２の底面８３ｂに対して接着（接着剤による接着）又は融着されている。
第１弾性シール部材８０の第２端部シールライン６２ｅに向かう面８１は、第２端部金属セパレータ３２ｅをターミナルプレート１６ａに密着させるために、第１凹部８２内に位置している。換言すれば、第１弾性シール部材８０の面８１は、ターミナルプレート１６ａの第２端部金属セパレータ３２ｅ側の面１７ａよりも第１凹部８２の底面８３ｂ側に位置している。また、第１弾性シール部材８０の面８１は、固体高分子電解質膜４０（積層体１４の積層方向と直交する平面）に対して平行な平坦形状を有する。
第１凹部８２は、第２端部シールライン６２ｅの外側ビード部６２ａに対向する位置に形成された外側凹部８２ａと、第２端部シールライン６２ｅの内側ビード部６２ｂに対向する位置に形成された内側凹部８２ｂと、第２端部シールライン６２ｅの連通孔ビード部６２ｃに対向する位置に形成された連通孔用凹部８２ｃとを有する。
第１弾性シール部材８０は、外側凹部８２ａ内に配設された外側シール部８０ａと、内側凹部８２ｂ内に配設された内側シール部８０ｂと、連通孔用凹部８２ｃに配設された連通孔シール部８０ｃとを有する。
すなわち、外側シール部８０ａは、インシュレータ１８ａの面１９ａの外縁部を周回し、第２端部シールライン６２ｅの外側ビード部６２ａに当接する。内側シール部８０ｂは、凹部７６ａを周回し、第２端部シールライン６２ｅの内側ビード部６２ｂに当接する。連通孔シール部８０ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂをそれぞれ周回し、第２端部シールライン６２ｅの連通孔ビード部６２ｃと内側ビード部６２ｂの燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの周囲の部分とに当接する。
本実施形態では、図６から理解されるように、外側シール部８０ａと内側シール部８０ｂとは、互いに別体に設けられている。連通孔シール部８０ｃのうち冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを周回する部分については、外側シール部８０ａに対して別体であるとともに内側シール部８０ｂに対して一体的に設けられている。連通孔シール部８０ｃのうち酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを周回する部分については、外側シール部８０ａ及び内側シール部８０ｂに対して別体に設けられている。
なお、外側凹部８２ａ、内側凹部８２ｂ及び連通孔用凹部８２ｃは、互いに連通するように形成され、外側シール部８０ａ、内側シール部８０ｂ及び連通孔シール部８０ｃは、一体成形されていてもよい。また、外側シール部８０ａ及び外側凹部８２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
図３及び図７に示すように、インシュレータ１８ｂの積層体１４に向かう面１９ｂには、積層体１４の積層方向におけるインシュレータ１８ｂ側の最端部に位置する第１金属セパレータ３０の第１シールライン５２に当接する第２弾性シール部材８４が配設される第２凹部８６が形成されている。なお、以下の説明において、積層体１４の積層方向におけるインシュレータ１８ｂ側の最端部に位置する第１金属セパレータ３０を「第１端部金属セパレータ３０ｅ」と称し、第１端部金属セパレータ３０ｅの第１シールライン５２を「第１端部シールライン５２ｅ」と称することがある。
第２弾性シール部材８４と第２凹部８６の側面８７ａとの間には、第２弾性シール部材８４が積層方向と直交する方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に弾性変形可能なように所定の隙間Ｓｂが形成されている。具体的には、第２凹部８６の幅寸法は、第２弾性シール部材８４の幅寸法よりも大きく、第２弾性シール部材８４は第２凹部８６の側面８７ａに対して離間している。第２弾性シール部材８４と第２凹部８６の側面８７ａとの間隔は、略一定に設定されている。隙間Ｓｂは、第２弾性シール部材８４の幅方向両側に設けられている。
第２弾性シール部材８４は、例えば、横断面が矩形状に形成されており、弾性を有する高分子材料からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。第２弾性シール部材８４は、第２凹部８６の底面８７ｂに対して接着（接着剤による接着）又は融着されている。
第２弾性シール部材８４の第１端部シールライン５２ｅに向かう面８５は、第１端部金属セパレータ３０ｅをターミナルプレート１６ｂに密着させるために、第２凹部８６内に位置している。換言すれば、第２弾性シール部材８４の面８５は、ターミナルプレート１６ｂの第１端部金属セパレータ３０ｅ側の面１７ｂよりも第２凹部８６の底面８７ｂ側に位置している。また、第２弾性シール部材８４の面８５は、固体高分子電解質膜４０（積層体１４の積層方向と直交する平面）に対して平行な平坦形状を有する。
第２凹部８６は、第１端部シールライン５２ｅの外側ビード部５２ａに対向する位置に形成された外側凹部８６ａと、第１端部シールライン５２ｅの内側ビード部５２ｂに対向する位置に形成された内側凹部８６ｂと、第１端部シールライン５２ｅの連通孔ビード部５２ｃに対向する位置に形成された連通孔用凹部８６ｃとを有する。
第２弾性シール部材８４は、外側凹部８６ａ内に配設された外側シール部８４ａと、内側凹部８６ｂ内に配設された内側シール部８４ｂと、連通孔用凹部８６ｃに配設された連通孔シール部８４ｃとを有する。
すなわち、外側シール部８４ａは、インシュレータ１８ｂの面１９ｂの外縁部を周回し、第１端部シールライン５２ｅの外側ビード部５２ａに当接する。内側シール部８４ｂは、凹部７６ｂ、第１端部金属セパレータ３０ｅの酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに対向する部位を周回し、第１端部シールライン５２ｅの内側ビード部５２ｂに当接する。連通孔シール部８４ｃは、第１端部金属セパレータ３０ｅの燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂに対向する部位をそれぞれ周回し、第１端部シールライン５２ｅの連通孔ビード部５２ｃに当接する。
本実施形態では、図７から理解されるように、外側シール部８４ａと内側シール部８４ｂとは、互いに別体に設けられている。連通孔シール部８４ｃのうち第１端部金属セパレータ３０ｅの冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂに対向する部位を周回する部分については、外側シール部８４ａに対して別体であるとともに内側シール部８４ｂに対して一体的に設けられている。連通孔シール部８４ｃのうち第１端部金属セパレータ３０ｅの燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに対向する部位を周回する部分については、外側シール部８４ａ及び内側シール部８４ｂに対して別体に設けられている。
なお、外側凹部８６ａ、内側凹部８６ｂ及び連通孔用凹部８６ｃは、互いに連通するように形成され、外側シール部８４ａ、内側シール部８４ｂ及び連通孔シール部８４ｃは、一体成形されていてもよい。また、外側シール部８４ａ及び外側凹部８６ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
図３から理解されるように、燃料電池スタック１０では、第１端部金属セパレータ３０ｅは、積層体１４の積層方向の中間に位置する各第１金属セパレータ３０（以下、「第１中間金属セパレータ３０ｉ」と称することがある。）と同一構成である。換言すれば、第１端部金属セパレータ３０ｅは、樹脂フィルム４６における第１端部金属セパレータ３０ｅとは反対側を指向する面に接触する各第１中間金属セパレータ３０ｉと同一構成である。つまり、全ての第１金属セパレータ３０は、同一構成である。
また、第２端部金属セパレータ３２ｅは、積層体１４の積層方向の中間に位置する各第２金属セパレータ３２（以下、「第２中間金属セパレータ３２ｉ」と称することがある。）と同一構成である。換言すれば、第２端部金属セパレータ３２ｅは、樹脂フィルム４６における第２端部金属セパレータ３２ｅとは反対側を指向する面に接触する各第２中間金属セパレータ３２ｉと同一構成である。つまり、全ての第２金属セパレータ３２は同一構成である。
このような燃料電池スタック１０では、第１シールライン５２及び第２シールライン６２が弾性変形するように、各連結バー２４をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定することによって積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与されている。そのため、第１シールライン５２及び第２シールライン６２は、樹脂フィルム４６を積層方向から挟持するように弾性変形している。すなわち、樹脂フィルム４６には、第１シールライン５２の弾性力と第２シールライン６２の弾性力とが作用しているため、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の漏れが防止される。
次に、このように構成される燃料電池スタック１０の動作について説明する。
まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。
酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８のカソード電極４４に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８のアノード電極４２に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造体２８では、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層４４ａ及び第１電極触媒層４２ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
次いで、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。
本実施形態では、インシュレータ１８ａに第２端部金属セパレータ３２ｅの第２端部シールライン６２ｅに当接する第１弾性シール部材８０を設けている。そのため、第２端部シールライン６２ｅには第１弾性シール部材８０の弾性力が作用し、第１弾性シール部材８０には第２端部シールライン６２ｅの弾性力が作用する。また、インシュレータ１８ｂに第１端部金属セパレータ３０ｅの第１端部シールライン５２ｅに当接する第２弾性シール部材８４を設けている。そのため、第１端部シールライン５２ｅには第２弾性シール部材８４の弾性力が作用し、第２弾性シール部材８４には第１端部シールライン５２ｅの弾性力が作用する。従って、積層体１４の積層方向の両端部のシール性を向上させることができる。
しかも、インシュレータ１８ａの面１９ａには第１弾性シール部材８０が配設される第１凹部８２が形成され、インシュレータ１８ｂの面１９ｂには第２弾性シール部材８４が配設される第２凹部８６が形成されている。これにより、積層体１４が積層方向に大型化することを抑えることができる。
また、第１シールライン５２は、酸化剤ガス流路４８を周回するとともに酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲に設けられている。さらに、第２シールライン６２は、燃料ガス流路５８を周回するとともに燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲に設けられている。これにより、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）並びに冷却媒体の漏れを確実に防止することができる。
本実施形態では、全ての第１金属セパレータ３０が同一構成であるとともに全ての第２金属セパレータ３２が同一構成である。すなわち、第１端部金属セパレータ３０ｅ及び第２端部金属セパレータ３２ｅを専用品にしなくてもよいため、燃料電池スタック１０の部品の種類を少なくすることができ、燃料電池スタック１０の製造工数の削減を図ることができる。
ところで、例えば、燃料電池スタック１０の発電が開始されると燃料電池スタック１０の温度が上昇し、燃料電池スタック１０の発電が停止されると燃料電池スタック１０の温度が下降する。一般的に、接合セパレータ３３の線膨張係数とインシュレータ１８ａ、１８ｂの線膨張係数との差は比較的大きい。
しかしながら、本実施形態では、第２シールライン６２がインシュレータ１８ａではなく第１弾性シール部材８０に当接している。そのため、例えば、図８に示すように、熱膨張又は熱収縮によってインシュレータ１８ａと第２シールライン６２の位置関係が矢印Ｃ方向にずれた場合であっても、第１弾性シール部材８０が弾性変形することにより、第２シールライン６２及び第１弾性シール部材８０の接触位置がずれることを抑えることができる。
これと同様に、第１シールライン５２がインシュレータ１８ｂではなく第２弾性シール部材８４に当接している。そのため、例えば、熱膨張又は熱収縮によってインシュレータ１８ｂと第１シールライン５２の位置関係が矢印Ｃ方向にずれた場合であっても、第１弾性シール部材８０が弾性変形することにより、第２シールライン６２及び第１弾性シール部材８０の接触位置がずれることを抑えることができる。従って、燃料電池スタック１０の温度変化によって積層体１４の積層方向端部のシール性が低下することを抑えることができる。
また、第１弾性シール部材８０と第１凹部８２の側面８３ａとの間には所定の隙間Ｓａが形成され、第２弾性シール部材８４と第２凹部８６の側面８７ａとの間には所定の隙間Ｓｂが形成されている。そのため、第１弾性シール部材８０及び第２弾性シール部材８４を容易且つ確実に弾性変形させることができる。
さらに、第１弾性シール部材８０における積層体１４に向かう面８１が平坦形状であるため、第２端部シールライン６２ｅを第１弾性シール部材８０の面８１に対して効率的に密着させることができる。また、第２弾性シール部材８４における積層体１４に向かう面８５が平坦形状であるため、第１端部シールライン５２ｅを第２弾性シール部材８４の面８５に対して効率的に密着させることができる。
本実施形態は上述した構成に限定されない。例えば、第１弾性シール部材８０をインシュレータ１８ａの面１９ａに設けるとともに第２弾性シール部材８４をインシュレータ１８ｂの面１９ｂに設けてもよい。この場合、第１凹部８２及び第２凹部８６を設ける必要がないため、インシュレータ１８ａ、１８ｂの構成を簡素化することができる。
また、上述した実施形態では、第１弾性シール部材８０をインシュレータ１８ａに設けるとともに第２弾性シール部材８４をインシュレータ１８ｂに設けている。しかしながら、インシュレータ１８ａ、１８ｂが接合セパレータ３３よりも一回り小さい場合等には、エンドプレート２０ａに第１弾性シール部材８０を設けるとともにエンドプレート２０ｂに第２弾性シール部材８４を設けてもよい。
本実施形態では、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の間に樹脂フィルム付きＭＥＡ２８を挟持した発電セル１２を構成し、各発電セル１２間に冷却媒体流路６６を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用している。これに対して、例えば、３枚以上の金属セパレータと２枚以上の電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備え、前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間には、冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造が構成される。
間引き冷却構造では、単一の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路が形成され且つ他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。従って、一枚の金属セパレータが電解質膜・電極構造体間に配置される。
本発明に係る燃料電池スタックは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １８ａ、１８ｂ…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２８…樹脂フィルム付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
３０（３０ｅ、３０ｉ）…第１金属セパレータ
３２（３２ｅ、３２ｉ）…第２金属セパレータ
３３…接合セパレータ ３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３６ａ…冷却媒体入口連通孔
３６ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３８ａ…燃料ガス入口連通孔
３８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード電極 ４４…カソード電極
４６…樹脂フィルム ５２、６２…シールライン（シール用ビード部）
８０…第１弾性シール部材 ８２…第１凹部
８４…第２弾性シール部材 ８６…第２凹部
１４…積層体 １８ａ、１８ｂ…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２８…樹脂フィルム付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
３０（３０ｅ、３０ｉ）…第１金属セパレータ
３２（３２ｅ、３２ｉ）…第２金属セパレータ
３３…接合セパレータ ３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３６ａ…冷却媒体入口連通孔
３６ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３８ａ…燃料ガス入口連通孔
３８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード電極 ４４…カソード電極
４６…樹脂フィルム ５２、６２…シールライン（シール用ビード部）
８０…第１弾性シール部材 ８２…第１凹部
８４…第２弾性シール部材 ８６…第２凹部
Claims (3)
- 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、
前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外周部又は前記外周部に設けられた枠部に接触するように前記積層体の積層方向に向かって突出したシール用ビード部が形成され、
前記積層体の積層方向両側には、前記シール用ビード部が弾性変形するように前記積層体を前記積層方向に挟持するインシュレータ及びエンドプレートが配設されている燃料電池スタックであって、
前記インシュレータ又は前記エンドプレートには、前記積層方向の最端部に位置する前記金属セパレータの前記シール用ビード部に当接する弾性シール部材が設けられ、
前記金属セパレータには、
前記電極に反応ガスを供給するためのガス流路と、
前記反応ガス及び冷却媒体が流通する複数の連通孔と、が形成され、
前記シール用ビード部は、前記ガス流路を周回するとともに前記連通孔の周囲に設けられている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
前記インシュレータ又は前記エンドプレートにおける前記積層体に向かう面には、前記弾性シール部材が配設される凹部が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記積層方向の最端部に位置する前記金属セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部又は前記枠部における前記積層方向の最端部に位置する当該金属セパレータとは反対側を指向する面に接触する前記金属セパレータと同一構成である、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
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