JP6366086B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池単セルを複数枚積層してなる燃料電池スタックに関するものである。
従来において、上記したような燃料電池単セルとしては、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に記載の燃料電池単セルは、ＭＥＡ（膜電極接合体）の両側に水素極及び酸素極を夫々備えると共に、水素極及び酸素極との間に水素流路及び酸素流路を形成する夫々の平板セパレータを備えている。また、燃料電池単セルは、酸素極側に冷媒流路部を備えている。
冷媒流路部は、２枚の平板セパレータと、その間に挟まれた予圧プレートを備え、両平板セパレータの間を冷却水の流路としている。予圧プレートは、断面波形状を成しており、燃料電池単セルの各構成部品の形状誤差により局所的に生じた荷重を分散することによって、各構成部品に均等な荷重を印加するものである。
ところで、この種の燃料電池単セルは、自動車等の車両の電源として用いる場合、複数枚積層して燃料電池スタックを構成する。このような燃料電池スタックでは、隣接する燃料電池単セル同士の間に冷却流体流路を形成する一方で、燃料電池単セル同士を電気的に接続する必要があり、このとき、接続部分の接触抵抗が発電性能に大きく影響する。
ところが、上記したような従来の燃料電池単セルにあっては、冷却流体流路（冷媒流路部）に介在する予圧プレートをコネクタとして用いることができるものの、セパレータと断面波形状の予圧プレートとが線接触しているだけで、電気的な接触抵抗の低減を図るような対策は何ら施されていなかった。
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、燃料電池単セルを複数枚積層した燃料電池スタックであって、積層時に隣接する燃料電池単セルとの接続部位の電気的な接触抵抗を低減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。
本発明に係る燃料電池スタックは、燃料電池単セルを複数枚積層したものである。この燃料電池単セルは、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体との間にガス流路を形成する一対のセパレータと、導電性を有し且つ一方のセパレータと積層時に隣接する燃料電池単セルのセパレータとの間に介装されて積層方向の変位を吸収可能な変位吸収部材を備えると共に、積層時に隣接する燃料電池単セル同士の間に、前記変位吸収部材が介在する冷却流体流路を形成している。そして、燃料電池スタックは、前記一方のセパレータが、膜電極接合体の発電領域と重なる領域が断面波形状を成しており、前記変位吸収部材が、基板の片面に多数のばね機能部を配列して成る構造を有し、前記ばね機能部が、基板側を固定端とし且つ先端側を自由端とする片持ち梁構造であり、前記変位吸収部材の基板を一方のセパレータに連結して前記変位吸収部材を定位置に保持し、前記ばね機能部の自由端を隣接する燃料電池単セルのセパレータに接触させた構成としており、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、上記の燃料電池単セルを複数枚積層して成り、積層時に隣接する燃料電池単セル同士の間に、変位吸収部材が介在する冷却流体流路を形成することを特徴としている。また、燃料電池スタックは、より好ましい実施形態として、前記変位吸収部材の端部の少なくとも一部を隣接する燃料電池単セル同士のセパレータで挟持して連結したことを特徴としている。
本発明に係る燃料電池スタックは、積層方向の変位を吸収する変位吸収部材の機能を損なわずに、隣接する燃料電池単セル同士の接続部位であるセパレータと変位吸収部材との電気的な接触抵抗を大幅に低減することができる。
〈第１実施形態〉
以下、図面に基づいて、本発明の燃料電池単セル及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する。この実施形態の燃料電池単セル及び燃料電池スタックは、電気自動車等の車両に搭載される固体高分子電解質型のものである。
以下、図面に基づいて、本発明の燃料電池単セル及び燃料電池スタックの一実施形態を説明する。この実施形態の燃料電池単セル及び燃料電池スタックは、電気自動車等の車両に搭載される固体高分子電解質型のものである。
図１及び図２に示す燃料電池スタックＦＳは、一対のエンドプレート１１，１２間に、集電板１３，１４、燃料電池単セルＦＣ及び変位吸収部材６を複数積層し、両エンドプレート１１，１２により燃料電池単セルＦＣ同士を挟圧するようにして、締結板１５，１６及び補強板１７，１７によって締結したケース一体型の構成である。なお、図中の符号１８はボルトであり、符号１９はスペーサである。
図示の燃料電池単セルＦＣは、セルフレーム４２の両面側に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流路を区画形成するように一対のセパレータ５Ａ，５Ｂを配設したものである。発電用ガスは、水素含有ガス及び酸素含有ガスである。
セルフレーム４２は、樹脂製であって、この実施形態においては、燃料電池単セルＦＣの積層方向αから見た正面視において横長方形にし、且つ、ほぼ一定の板厚にして形成された基板４２ａの中央部分に膜電極接合体Ｍを設けたものである。なお、セルフレーム４２は正面視において正方形や縦長方形に変更することも可能である。
図３に示すように、燃料電池単セルＦＣの短辺側には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｈが夫々形成してある。図３中で左側の一方側のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。これらのマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）であり、図２に示す積層方向αに夫々の流路を形成している。
図３中で他方側のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。これらのマニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）であり、図２に示す積層方向αに夫々の流通路を形成している。なお、供給及び排出の位置関係は一部又は全部が逆でもよい。
燃料電池単セルＦＣは、図４にも示すように、電解質膜１を一対の電極層（２，３）で挟持した構造を有する膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍとの間にガス流路４Ａ，４Ｂを形成する一対のセパレータ５Ａ，５Ｂを備えている。なお、この実施形態では、先述したように、図２に示すセルフレーム４２の中央部分に膜電極接合体Ｍを配置しているので、セパレータ５Ａ，５Ｂは、セルフレーム４２及び膜電極接合体Ｍとの間にガス流路４Ａ，４Ｂを形成している。
また、燃料電池単セルＦＣは、導電性を有し且つ一方のセパレータ５Ａと積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣとの間に介装される変位吸収部材６を備えており、少なくとも一方のセパレータ５Ａに、変位吸収部材６を連結した構造になっている。この実施形態では、一方のセパレータ５Ａと変位吸収部材６とを溶接（図４の溶接部Ｗ）により連結している。
膜電極接合体Ｍは、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものである。膜電極接合体Ｍは、固体高分子膜から成る電解質層１の一方側（図４中上側）面に、一方の電極層であるアノード層２を備えると共に、電解質層１の他方側の面に、他方の電極層であるカソード層３を備えている。アノード層２及びカソード層３は、図示を省略したが、触媒層や適数のガス拡散層を積層した構造を有している。
両セパレータ５Ａ，５Ｂは、例えばステンレス製であって、図示例では断面波形状（断面凹凸形状）を成している。一方のセパレータ５Ａは、アノード層２との間に、波形の凹部Ｏによりアノードガス（水素含有ガス）のガス流路４Ａを形成する。他方のセパレータ５Ｂは、カソード層３との間に、同じく波形の凹部Ｏよりカソードガス（酸素含有ガス：空気）のガス流路４Ｂを形成する。
上記の膜電極接合体Ｍ及び両セパレータ５Ａ，５Ｂは、周囲部分にシーリングを施して気密的に接合され、燃料電池単セルＦＣを構成する。また、燃料電池単セルＦＣを複数枚積層した燃料電池スタックＦＳにおいては、隣接する燃料電池単セルＦＣのセパレータ５Ａ，５Ｂ同士を気密的に接合して、その間に冷却流体流路Ｆを形成する。そして、燃料電池スタックＦＳは、冷却流体流路Ｆ内に、先述の如く一方のセパレータ５Ａに連結した変位吸収部材６が介在する。
前記変位吸収部材６は、薄い金属プレートを素材とし、導電性を有していて、図５に一部を示すように、基板６Ａの片面に多数のばね機能部６Ｂを縦横に配列した構造である。変位吸収部材６のばね機能部６Ｂは、片持ち梁構造となる舌片状を成しており、基板側を固定端Ｋとし且つ先端側を自由端Ｊとして、基板６Ａから切り起した状態に形成してある。このような変位吸収部材６は、一枚の素材から製造することができる。なお、図示例の変位吸収部材６は、全てのばね機能部６Ｂの向きが同一方向であるが、ばね機能部６Ｂの形、向き及びピッチなどを変更することも可能である。
上記の変位吸収部材６は、両電極層２，３のうちのアノード側に配置したセパレータ５Ａに対して、図４に示す如く溶接（溶接部Ｗ）により連結してある。この際、変位吸収部材６は、断面凹凸形状（断面波形状）を成すセパレータ５Ａの電池外側面における波形の凸部Ｔに、基板６Ａを連結する。また、変位吸収部材６は、図４（Ｂ）に示すように、当該変位吸収部材６側からセパレータ５Ａに向けて溶接（溶接部Ｗ）してある。図４（Ｂ）中に示す下向きの矢印が溶接方向である。
さらに、変位吸収部材６は、図５に示すように、基板６Ａが、膜電極接合体Ｍの反応領域と重ならない外縁部６Ｃを有している。この変位吸収部材６は、セパレータ５Ａに対して、少なくとも外縁部６Ｃに連結（溶接）をするようにしており、それ以外では、ばね機能部６Ｂ同士の間の部分を連結（溶接）する。上記の変位吸収部材６は、燃料電池スタックＦＳにおいて、ばね機能部６Ｂの自由端Ｊが、積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣのカソード側のセパレータ５Ｂに接触する。
ここで、変位吸収部材６側からセパレータ５Ａに向けて行う一方向溶接としては、アーク溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接及びレーザー溶接に代表される非加圧溶接方法を採用することができる。また、変位吸収部材６における溶接部Ｗの総面積は、０．０５％以上とするのが望ましい。この総面積を０．０５％未満にすると、図６（Ａ）に示すように電気抵抗が急激に高くなり、発電性能に大きく影響するからである。
さらに、溶接部Ｗの間隔Ｌ（ｍ）は、変位吸収部材６の電子伝導度をσ（Ｓ／ｍ）、厚さをｔ（ｍ）としたときに、Ｌ２／σｔ≦１０−６を満たすことが望ましい。これは、図６（Ｂ）に示すように、性能への寄与度を考慮したものである。なお、変位吸収部材６の電子伝導度、厚さ及び溶接部Ｗの間隔が一様でない場合は、平均値を用いる。
上記の燃料電池単セルＦＣを積層して成る燃料電池スタックＦＳは、次の方法により製造することができる。すなわち、膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍとの間にガス流路を形成する一対のセパレータ５Ａ，５Ｂと、導電性を有し且つ一方のセパレータ５Ａ側に配置される変位吸収部材３６を備えた燃料電池単セルＦＣを複数枚積層してなる燃料電池スタックＦＳを製造するに際し、一方のセパレータ５Ａに、変位吸収部材６を連結して燃料電池単セルＦＣを構成する。
その後、燃料電池単セルＦＣ構成する膜電極接合体Ｍ及び一対のセパレータ４０．４１と変位吸収部材３６とが交互に配置されるようにこれらを積層し、図１及び図２に具体的構成を示すように、その積層方向に所定荷重を付与して各燃料電池単セルＦＣを拘束する。これにより、各燃料電池単セルＦＣ間に変位吸収部材６を介在させた燃料電池スタックＦＳを精度良く、且つ効率良く組み立てることができる。
上記の燃料電池スタックＦＳにおいて、燃料電池単セルＦＣは、積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣとの間の冷却流体流路Ｆに冷却流体を流通させると共に、膜電極接合体Ｍにアノードガス及びカソードガスを供給して、電気化学反応により電気エネルギーを発生する。そして、燃料電池単セルＦＣの内部の熱膨脹や膜電極接合体１の膨潤が生じた際に、セパレータ５Ａ，５Ｂの変位を変位吸収部材６により吸収する。また、変位吸収部材６は、上記の変位吸収機能に加えて、燃料電池単セルＦＣ同士を電気的に接続するコネクタとしても機能する。
上記の燃料電池単セルＦＣは、一方のセパレータ５Ａに変位吸収部材６を連結したので、双方の密着により電気的な接触抵抗が小さくなる。また、この実施形態では、一方のセパレータ５Ａと変位吸収部材６とを溶接（溶接部Ｗ）により連結したので、その連結状態がより密接なものとなって、接触抵抗がより一層小さくなる。
これにより、燃料電池単セルＦＣは、積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣとの接続部位であるセパレータ５Ａ，５Ｂ及び変位吸収部材６の間の電気的な接触抵抗を大幅に低減することができる。さらには、燃料電池スタックＦＳ全体の接触抵抗を低減し、発電性能の向上に貢献することができる。
また、燃料電池単セルＦＣは、断面凹凸形状（断面波形状）を成すセパレータ５Ａの電池外側面における凸部Ｔに、変位吸収部材６の基板６Ａを連結（溶接）したので、変位吸収部材６の性能を何ら損なうことがないうえに、容易に且つ確実に連結をすることができる。
さらに、燃料電池単セルＦＣは、変位吸収部材６のばね機能部６Ｂが、基板６Ａ側を固定端Ｋとし且つ先端側を自由端Ｊとする片持ち梁構造であるから、簡単な構造で厚さ方向の変位を充分に吸収する機能を確保することができ、製造コストも安価である。また、変位吸収部材６は、ばね機能部６Ｂの形状が簡単で小ピッチでも形成し易く、ばね剛性を小さくすることができる。このようにばね剛性が小さくなると、ばね特性が、変位に対して荷重変動の少ないものとなり、運転時の圧縮方向の変位や経時劣化によるへたりが生じても、面圧変動が小さいので各部品の電気接触抵抗が安定する。
さらに、燃料電池単セルＦＣは、アノード側に配置したセパレータ５Ａに変位吸収部材６を溶接により連結したので、腐食耐久性の向上を実現することができる。つまり、溶接した箇所は変性するため、燃料電池単セル特有の環境（雰囲気）を考慮した箇所、すなわち変性の影響が少ないアノード側のセパレータ５Ａに溶接をすることで腐食耐久性が向上する。
さらに、燃料電池単セルＦＣは、図４（Ｂ）に示す如く変位吸収部材６側からセパレータ５Ａに向けて溶接することによっても、腐食耐久性の向上を実現することができる。つまり、溶接による変性が主に変位吸収部材６で生じるようにし、セパレータ５Ａの変性を極力小さくすることで腐食耐久性が向上する。
さらに、燃料電池単セルＦＣは、変位吸収部材６の基板６Ａが、膜電極接合体Ｍの反応領域と重ならない外縁部６Ｃを有し、少なくとも外縁部６Ｃを溶接するようにしたので、反応領域に対応する部分の溶接面積が少なくなり、発電性能や耐久性の向上に貢献することができる。
本発明に係わる燃料電池単セルＦＣは、他の実施形態として、一方のセパレータ５Ａに、変位吸収部材６において選択されたばね機能部６Ｂの固定端Ｋ側を連結することができる。この際、ばね機能部６Ｂの固定端Ｋ側とは、図５中に一部の溶接部Ｗを示すように、ばね機能部６Ｂの固定端Ｋ側となる基板６Ａ上の部分である。これにより、該当するばね機能部６Ｂのばね機能が損なわれる心配はない。
上記の燃料電池単セルＦＣでは、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士の間の導電性がより良好になる。つまり、変位吸収部材６は、先述したようにコネクタとしても機能するものであるから、ばね機能部６Ｂが通電経路となる。すなわち、ばね機能部６Ｂは、一方の燃料電池単セルＦＣに接触した自由端Ｊ側と、他方の燃料電池単セルＦＣに連結した固定端Ｋ側との間で通電を行う。
そこで、燃料電池単セルＦＣでは、一方のセパレータ５Ａに、ばね機能部６Ｂの固定端Ｋ側を連結することにより、その固定端Ｋ側に電気的な接触抵抗が最も小さい部分を形成して、最短の通電経路を確保する。これにより、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士の間の導電性がより良好になる。
本発明に係わる燃料電池単セルＦＣは、さらに他の実施形態として、前記一方のセパレータが、両電極層２，３のうちのカソード側に配置したセパレータ５Ｂであるものとすることができる。すなわち、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す先の実施形態では、アノード側のセパレータ５Ａに変位吸収部材６を連結していたが、この実施形態では、その逆に、カソード側のセパレータ５Ｂに変位吸収部材６を溶接により連結する。この際、先の実施形態と同様に、変位吸収部材６側からセパレータ５Ｂに向けて溶接することも有効である。
上記の燃料電池単セルＦＣは、溶接時の熱履歴によってステンレス製のセパレータの耐腐食性が下がることを防ぐようにしている。図７は、電流密度と電位との関係を熱履歴の有無別に示すグラフであり、熱履歴がある場合には、運転中に０ボルトに保持されるアノード側で電流密度が高くなる。そこで、上記の燃料電池単セルＦＣでは、カソード側のセパレータ５Ｂに変位吸収部材６を溶接により連結することにより、アノード側での熱履歴を避けて、カソード側に熱履歴を残すようにし、腐食によるセパレータ５Ｂの劣化を抑制する。
なお、先の実施形態では、燃料電池単セル特有の環境（雰囲気）を考慮した箇所、すなわち変性の影響が少ないアノード側のセパレータ５Ａに溶接をしており、これに対して、この実施形態では、ステンレス製のセパレータの耐腐食性に着目して、カソード側のセパレータ５Ｂに溶接をしている。したがって、燃料電池単セルの具体的構造や構成材料の相違などに応じて両実施形態を適宜選択することが望ましい。
本発明の燃料電池単セルＦＣは、上記各実施形態では、いずれもセパレータ５Ａ（５Ｂ）と変位吸収部材６との連結を溶接によるものとしたが、図４（Ｃ）に示すように、導電性ろう材Ｒを用いたろう付け、及び導電性接着剤Ｂを用いた接着の少なくとも一方により、セパレータ５Ａ（５Ｂ）の凸部Ｔに変位吸収部材６を連結しても良い。ろう付けには、はんだ付けも含まれる。
導電性ろう材Ｒとしては、セパレータ５Ａ，５Ｂがステンレス製であるから、これよりも融点の低い材料が選択され、例えば、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）及びニッケル（Ｎｉ）などが挙げられる。また、導電性接着剤Ｂとしては、銀、金、パラジウム、銅及びニッケルのうちの少なくとも一つを主成分とするペーストを使用することができる。
上記の燃料電池単セルＦＣは、セパレータ５Ａ（５Ｂ）に変位吸収部材６を連結するに際し、溶接に比べて低温での接合が可能になる。これにより、上記の燃料電池単セルＦＣでは、構成部材の熱膨張による影響、材料変質に伴って生じる割れや穴あきなどのリスクを抑えることができる。
〈第２実施形態〉
図８及び図９は、図１〜図３とともに本発明に係わる燃料電池スタックの他の実施形態を説明する図である。図８（Ａ）は、図３に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図であり、図８（Ｂ）は、他の例を示す要部の断面図であって、積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣ同士の間の部分を示している。したがって、図８中で上下に示すセパレータ４１，４０は、上下の別の燃料電池単セルＦＣを構成している。
図８及び図９は、図１〜図３とともに本発明に係わる燃料電池スタックの他の実施形態を説明する図である。図８（Ａ）は、図３に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図であり、図８（Ｂ）は、他の例を示す要部の断面図であって、積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣ同士の間の部分を示している。したがって、図８中で上下に示すセパレータ４１，４０は、上下の別の燃料電池単セルＦＣを構成している。
すなわち、この実施形態の燃料電池単セルＦＣは、図２に示すセルフレーム４２の両面側に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するように一対のセパレータ４０，４１を配設したものである。セパレータ４０，４１は、夫々ステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記したセルフレーム４２とほぼ同じ形状で同じ大きさに形成してある。
上記の燃料電池単セルＦＣでは、セルフレーム４２の一方側から他方側、又は他方側から一方側に水素含有ガス又は酸素含有ガスが流通する。すなわち、発電用ガスは、図１及び図２中のβ方向において流通するようになっている。
上記のセルフレーム４２及び両セパレータ４０，４１は、これらの周縁にシーリングを施して液密的に接合されることにより燃料電池単セルＦＣを構成している。積層方向に隣接する燃料電池単セルＦＣ同士の間には、相対向するセパレータ４０，４１同士を液密的に接合して、両セパレータ４０，４１間に冷却流体を流通させるための冷却流体流路Ｆを形成している（図８（Ａ）参照）。
また、セルフレーム４２及びセパレータ４０，４１の各マニホールドＨが互いに連通して、燃料電池単セルＦＣの積層方向におけるガス流通口と冷却流体流通口（図示しない）が形成されるようになっている。
図９は、燃料電池スタックの一部をなす変位吸収部材の部分斜視図である。図示の変位吸収部材３６は、隣接する燃料電池単セルＦＣ間に区画形成されている冷却流体流路Ｆに介挿してある。この変位吸収部材３６は、基板５１の一面側に複数の弾性突起（ばね機能部）５０と傍流防止突起５５とを配列したものである。
弾性突起５０は、上記した冷却流体流路Ｆを流通する冷却流体の流通方向βに沿い、且つ、その流通方向β及びこれに直交する方向γにおいて、互いに所定の間隔にして配列してある。
これらの弾性突起５０は、導電性の金属板からなる基板５１に一体に形成してあり、それらは、冷却流体流路Ｆ内を流通する冷却流体の上記流通方向βと平行な平面において同一方向に傾斜し、且つ、互いに同じ形状で同じ大きさ板状体に形成してある。
また、弾性突起５０は、流通方向βから見たときに縦長方形に、且つ、流通方向βと直交する方向γから見たときに穏やかなＳ字形にして、基板５１から切り起こすことにより一体に形成してある。
傍流防止突起５５は、膜電極接合体Ｍの領域であるアクティブエリア（発電領域）以外に傍流しようとする冷却流体を阻止するためのものであり、上記した冷却流体流路Ｆの両側方に、冷却流体の流通方向βに沿って互いに所定の間隔にして配列してある。
この傍流防止突起５５は、上記基板５１に一体にして形成してあり、それらは、冷却流体の上記流通方向βと平行な平面において同一方向に傾斜し、且つ、互いに同じ形状で同じ大きさの板状体に形成してある。
具体的には、上側辺縁５５ａを上記流通方向βの上流側に向けて切り上げ、且つ、下側辺縁５５ｂを流通方向βの下流側に向けて切り下げると共に、その中間辺縁５５ｃを基板５１のリブ５１ａに一体にして形成してある。
換言すると、流通方向βから見たときに横長方形に、且つ、流通方向βと直交する方向γから見たときに流通方向βに向けて所要の迎角をなす傾斜姿勢にしている。傍流防止突起５５の外側部分の基板５１には、流通方向βと平行にし且つ一定の葉版にした挟持用片５１ｂが一体に形成してある。つまり、変位吸収部材３６は、基板５１の挟持用片５１ｂが端部３６Ｔに相当する。
上記の傍流防止突起５５は、上下に曲成して上側辺縁５５ａ及び下側辺縁５５ｂを上下のセパレータ４０，４１に接触させることにより、アクティブエリア（発電領域）以外に傍流しようとする冷却流体を阻止する機能のほかに、変位吸収部材３６の弾性突起５０と同様に変位吸収用のばね機能をも有するものとなる。
そして、この実施形態の燃料電池スタックは、上述したように、燃料電池単セルＦＣを複数枚積層して成り、積層時に隣接する燃料電池単セルＦＣとの間に、変位吸収部材３６が介在する冷却流体流路Ｆを形成すると共に、変位吸収部材３６の端部３６Ｔ（挟持用片５１ｂ）の少なくとも一部を隣接する燃料電池単セルＦＣ同士のセパレータ４０，４１で挟持して連結した構造を有している。
この実施形態において、挟持用片５１ｂは、図８（Ａ）に示すように、セパレータ４０，４１の両側部４０ａ，４１ａ間に挟持接合されている。この実施形態においては、セパレータ４０，４１と変位吸収部材３６の挟持用片５１ｂとを全周にわたり液密的に接合している。また、図８（Ｂ）に示すように、二枚のセパレータ４０，４１と変位吸収部材３６の挟持用片５１ｂとを溶接（溶接部Ｗ）により共通に接合することも可能である。
上記の変位吸収部材３６は、基板５１をセパレータ４０に当接させ、且つ、弾性突起５０の上側辺縁５０ａと、傍流防止突起５５の上側辺縁５５ａとをセパレータ４１に当接した状態にして、冷却流体流通路Ｓ１内に配設してある。
上記した弾性突起５０と傍流防止突起５５は、例えば打ち抜き加工等の切断加工や、エッジング加工等のように材料の除去を伴う加工により縁取りした部分を折り曲げることにより微細構造に形成することができる。
上述した実施形態の燃料電池スタックＦＳによれば、セパレータ４０，４１と変位吸収部材３６とが互いに密着しているので、先の実施形態と同様に、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士の接続部位であるセパレータ４０，４１と変位吸収部材３６との電気的な接触抵抗を大幅に低減することができることに加えて、次の効果を得ることができる。
冷却流体流路Ｆに配設した変位吸収部材３６の端部３６Ｔの少なくとも一部をセパレータ４０，４１間に挟持して連結しているので、その変位吸収部材３６の信頼性，耐久性を向上させることができる。すなわち、基板５１と傍流防止突起５５との接続部には、冷却流体によって荷重またはモーメントが局所的に集中することがあるが、傍流防止突起５５の外側部分の挟持用片５１ｂが、セパレータ４０，４１の両側部４０ａ，４１ａ間に挟持接合されているので、変位吸収部材３６の局所的に生じる荷重またはモーメントを分散させるとともに、耐久性，信頼性を向上させている。
燃料電池単セルＦＣ自体や燃料電池スタックＦＳを構成する部材が変位した場合でも、変位吸収部材３６の端部３６Ｔ（挟持用片５１ｂ）の少なくとも一部をセパレータ４０，４１で挟持して連結しているので、変位吸収部材３６を定位置に保持しておくことができる。
変位吸収部材３６の端部３６Ｔ（挟持用片５１ｂ）と、これを挟持する二枚のセパレータ４０，４１を共通に溶接することにより、これらが互いに密着して、電気的なパスをより良好に確保すると同時に、電気的な接触抵抗をより一層小さくすることができる。しかも、セパレータ４０，４１と変位吸収部材３６とを同時に連結することができ、これにより、簡易かつ安価に実施が可能である。また、セパレータ４０，４１と変位吸収部材３６の端部３６Ｔとを全周にわたって液密的に接合することにより、冷却流体を密閉することができる。
傍流防止突起５５を、これの基板５０から切り起こして一体に形成することにより、突起部分を別に形成してから接合する等の工程が不要で簡便に製造できる。また、接合部等が無いために、接合により形成する場合に比べて傍流防止突起５５が基板５０と接する辺縁部の強度確保がしやすく信頼性の向上を図ることができる。
〈第３実施形態〉
次に、図１０及び図１１を参照して、他例に係る変位吸収部材について説明する。図１０（Ａ）は、図３に示すＩ‐Ｉ線に相当する部分の拡大断面図であり、図１０（Ｂ）は、他の実施形態を示す要部の断面図である。図１１は、他例に係る変位吸収部材の一部分の斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
次に、図１０及び図１１を参照して、他例に係る変位吸収部材について説明する。図１０（Ａ）は、図３に示すＩ‐Ｉ線に相当する部分の拡大断面図であり、図１０（Ｂ）は、他の実施形態を示す要部の断面図である。図１１は、他例に係る変位吸収部材の一部分の斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図１０（Ａ）に示す変位吸収部材４６は、上述した導電性の金属板からなる基板５１に弾性突起（ばね機能部）５０のみを一体に形成したものであり、換言すると、上述した傍流防止突起を設けていないものである。この場合にも、冷却流体流路Ｆに配設した変位吸収部材４６の端部４６Ｔの少なくとも一部をセパレータ４０，４１間に挟持して連結することにより、その変位吸収部材４６の信頼性，耐久性を向上させられることは、上述した実施形態のものと同様である。
上記した実施形態においては、変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）の少なくとも一部をセパレータ４０，４１間に挟持した構成のものを例示したが、次のような構成にしてもよい。
すなわち、図１０（Ｂ）に示すように、変位吸収部材４６の端部４６Ｔとセパレータ４０，４１とを導電性ろう材Ｒを用いてろう付けすることが可能である。このように、導電性ろう材Ｒによるろう付けを採用した構成にすれば、先の実施形態と同様に電気的な接触抵抗の低減や、変位吸収部材４６を定位置で保持する効果に加えて、セパレータ４０，４１に変位吸収部材３６を連結するに際し、溶接に比べて低温での接合が可能になり、構成部材の熱膨張による影響、材料変質に伴って生じる割れや穴あきなどのリスクを抑えることができる。
〈第４実施形態〉
図１２（Ａ）は、セパレータ４０，４１と変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）を、模式的に示す説明図であり、図１２（Ｂ）は、他の実施形態を示す断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図１２（Ａ）は、セパレータ４０，４１と変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）を、模式的に示す説明図であり、図１２（Ｂ）は、他の実施形態を示す断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図１２（Ａ）に示すセパレータ４０，４１及び変位吸収部材４６は、変位吸収部材４６の基板５１の両端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）を、セパレータ４０，４１の両側部４０ａ、４１ａよりも外側まで延出させた構成のものである。これにより、上記した実施形態で得られる効果に加え、変位吸収部材４６を冷却流体流路Ｆに配設する際に、セパレータ４０，４１との相対的な位置合わせを容易に行なうことができる。
上記した実施形態においては、変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）の少なくとも一部をセパレータ４０，４１間に挟持した構成のものを例示したが、次のような構成にしてもよい。
すなわち、図１２（Ｂ）に示すように、変位吸収部材４６の端部４６Ｔとセパレータ４０，４１とを導電性接着剤Ｂを用いて接着することが可能である。このように、導電性接着剤Ｂによる接着を採用した構成にすれば、先の実施形態と同様に電気的な接触抵抗の低減や、変位吸収部材４６を定位置で保持する効果に加えて、セパレータ４０，４１に変位吸収部材３６を連結するに際し、溶接に比べて低温での接合が可能になり、構成部材の熱膨張による影響、材料変質に伴って生じる割れや穴あきなどのリスクを抑えることができる。
〈第５実施形態〉
図１３に示す燃料電池スタックＦＳは、図８及び図９に示す実施形態と同等の基本構成を有している。よって、先の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を省略する。
図１３に示す燃料電池スタックＦＳは、図８及び図９に示す実施形態と同等の基本構成を有している。よって、先の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を省略する。
ここで、本発明の燃料電池スタックＦＳは、前記変位吸収部材３６と、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士のセパレータ４０，４１の少なくとも一方のセパレータとの接触部分の少なくとも一部を接合した構成とすることができる。図中で上側のセパレータ４１は、積層時に隣接する燃料電池単セル同士の一方の燃料電池単セルＦＣのセパレータであり、下側のセパレータ４０は、他方の燃料電池単セルＦＣのセパレータである。
すなわち、図示の燃料電池スタックＦＳでは、図８（Ｂ）に示した実施形態と同様に、二枚のセパレータ４０，４１と変位吸収部材３６の挟持用片５１ｂとを溶接（溶接部Ｗ）により共通に接合するほかに、一方のセパレータ４１と変位吸収部材３６における傍流防止突起５５の上側辺縁５５ａとを溶接（溶接部Ｗ）により接合したり、他方のセパレータ４０と変位吸収部材３６における傍流防止突起５５の下側辺縁５５ｂとを溶接（溶接部Ｗ）により接合したりすることができる。
このとき、図示の変位吸収部材３６は、基板５１の外側に、同基板５１と同一平面状を成す挟持用片５１ｂ（端部３６Ｔ）を有しているので、この平坦な挟持用片５１ｂと、これを挟持する二枚のセパレータ４０，４１の両側部４０ａ、４１ａとを接合する構成にすれば、その接合作業を容易に且つ確実に行うことができる。
また、セパレータ，４１と変位吸収部材３６との接合は、溶接（溶接部Ｗ）のほか、導電性ろう材（Ｒ）を用いたろう付けや、導電性接着剤（Ｂ）を用いた接着により行うことができ、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
〈第６実施形態〉
図１４に示すセパレータ４０，４１及び変位吸収部材４６は、図１２に示す実施形態と同様に、変位吸収部材４６の基板５１の両端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）を、セパレータ４０，４１の両側部４０ａ、４１ａよりも外側まで延出させた構成のものである。
図１４に示すセパレータ４０，４１及び変位吸収部材４６は、図１２に示す実施形態と同様に、変位吸収部材４６の基板５１の両端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）を、セパレータ４０，４１の両側部４０ａ、４１ａよりも外側まで延出させた構成のものである。
本発明の燃料電池スタックＦＳは、変位吸収部材４６と、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士のセパレータ４０，４１の少なくとも一方のセパレータとの接触部分の少なくとも一部を接合した構成にすることができる。すなわち、図１４（Ａ）に示すように、一方のセパレータ４０と変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）とを接合したり、図１４（Ｂ）に示すように、他方のセパレータ４１と変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）とを接合したりすることができる。
また、図１４（Ｃ）に示すように、両方のセパレータ４０，４１と変位吸収部材４６の端部４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）とを接合しても良い。これらの接合は、溶接（溶接部Ｗ）、導電性ろう材（Ｒ）を用いたろう付け、及び導電性接着剤（Ｂ）を用いた接着のいずれかを選択的に使用することができる。
上記実施形態の燃料電池スタックＦＳにあっも、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、当該燃料電池スタックの組み立て工程などに応じて、変位吸収部材に接合するセパレータや、その接合方法を自由に選択することができる。
ここで、とくに図８〜図１４に示す燃料電池スタックＦＳは、次の方法で製造することができる。すなわち、膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍとの間にガス流路を形成する一対のセパレータ４０，４１と、導電性を有し且つ一方のセパレータ側に配置される変位吸収部材３６（４６）を備えた燃料電池単セルＦＣを複数枚積層してなる燃料電池スタックＦＳを製造するに際し、先ず、変位吸収部材３６（４６）と、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士のセパレータ４０，４１の少なくとも一方のセパレータとの接触部分の少なくとも一部を接合する。
その後、燃料電池単セルＦＣを構成する膜電極接合体Ｍ及び一対のセパレータ４０．４１と変位吸収部材３６とが交互に配置されるようにこれらを積層し、 図１及び図２に具体的構成を示すように、その積層方向に所定荷重を付与して各燃料電池単セルＦＣを拘束する。この際、隣接する燃料電池単セルＦＣ同士のセパレータ４０．４１間で変位吸収部材３６（４６）の端部３６Ｔ（４６Ｔ）の少なくとも一部を挟持して連結するようにしても良い。
これにより、各燃料電池単セルＦＣ間に変位吸収部材６を介在させた燃料電池スタックＦＳを精度良く、且つ効率良く組み立てることができる。
なお、本発明に係る燃料電池単セル及び燃料電池スタックは、その構成が上記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構成の細部を適宜変更することが可能であって、例えば、、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、冷却流体流路Ｆに配設した変位吸収部材３６，４６の端部３６Ｔ，４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）を全周にわたり挟持した例について説明したが、少なくとも、その一部を挟持していればよい。また、冷却流体流路Ｆに配設した変位吸収部材３６，４６の端部３６Ｔ，４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）の少なくとも一部をセパレータ４０，４１間に挟持した例について説明したが、変位吸収部材３６，４６の端部３６Ｔ，４６Ｔ（挟持用片５１ｂ）以外の少なくとも一部を挟持させた構成にしてもよい。例えば、隣り合う弾性突起（ばね機能部）５０の間の基板５１を挟持させるようにしてもよい。また、上記実施形態では、変位吸収部材の連結を溶接や挟持によるものとしたが、これらに限らず、積層方向に荷重伝達が可能な構造であれば良い。
１ 電解質膜
２ アノード層（電極層）
３ カソード層
４Ａ アノード側のガス流路
４Ｂ カソード側のガス流路
５Ａ アノード側のセパレータ
５Ｂ カソード側のセパレータ
６ 変位吸収部材
６Ａ 基板
６Ｂ ばね機能部
６Ｃ 外縁部
３６ 変位吸収部材
３６Ｔ 変位吸収部材の端部
４０ セパレータ
４１ セパレータ
４６ 変位吸収部材
４６Ｔ 変位吸収部材の端部
５０ 弾性突起（ばね機能部）
５１ｂ 挟持用片（変位吸収部材の端部）
Ｂ 導電性接着剤
Ｆ 冷却流体流路
ＦＣ 燃料電池単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｊ 自由端
Ｋ 固定端
Ｍ 膜電極接合体
Ｏ 凹部
Ｒ 導電性ろう材
Ｔ 凸部
Ｗ 溶接部
２ アノード層（電極層）
３ カソード層
４Ａ アノード側のガス流路
４Ｂ カソード側のガス流路
５Ａ アノード側のセパレータ
５Ｂ カソード側のセパレータ
６ 変位吸収部材
６Ａ 基板
６Ｂ ばね機能部
６Ｃ 外縁部
３６ 変位吸収部材
３６Ｔ 変位吸収部材の端部
４０ セパレータ
４１ セパレータ
４６ 変位吸収部材
４６Ｔ 変位吸収部材の端部
５０ 弾性突起（ばね機能部）
５１ｂ 挟持用片（変位吸収部材の端部）
Ｂ 導電性接着剤
Ｆ 冷却流体流路
ＦＣ 燃料電池単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｊ 自由端
Ｋ 固定端
Ｍ 膜電極接合体
Ｏ 凹部
Ｒ 導電性ろう材
Ｔ 凸部
Ｗ 溶接部
Claims (18)
- 燃料電池単セルを複数枚積層した燃料電池スタックであって、
前記燃料電池単セルは、
電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
膜電極接合体との間にガス流路を形成する一対のセパレータと、
導電性を有し且つ一方のセパレータと積層時に隣接する燃料電池単セルのセパレータとの間に介装されて積層方向の変位を吸収可能な変位吸収部材を備えると共に、
積層時に隣接する燃料電池単セル同士の間に、前記変位吸収部材が介在する冷却流体流路を形成し、
前記一方のセパレータは、膜電極接合体の発電領域と重なる領域が断面波形状を成しており、
前記変位吸収部材が、基板の片面に多数のばね機能部を配列して成る構造を有し、
前記ばね機能部が、基板側を固定端とし且つ先端側を自由端とする片持ち梁構造であり、 前記変位吸収部材の基板を一方のセパレータに連結して前記変位吸収部材を定位置に保持し、前記ばね機能部の自由端を隣接する燃料電池単セルのセパレータに接触させたことを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記一方のセパレータに、前記多数のばね機能部のうちから選択されたばね機能部の固定端側を連結したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記一方のセパレータが、断面波形状を成していると共に、その電池外側面における波形の凸部に、変位吸収部材を連結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。
- 前記変位吸収部材の基板が、膜電極接合体の反応領域と重ならない外縁部を有し、
前記一方のセパレータに、少なくとも外縁部を連結した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。 - 前記一方のセパレータと変位吸収部材との連結が、溶接によるものであ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。
- 前記一方のセパレータと変位吸収部材との連結が、導電性ろう材を用いたろう付け、及び導電性接着剤を用いた接着の少なくとも一方によるものであ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。
- 前記一方のセパレータが、両電極層のうちのアノード側に配置したセパレータ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。
- 前記一方のセパレータが、両電極層のうちのカソード側に配置したセパレータ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。
- 前記変位吸収部材側からセパレータに向けて溶接してあることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池スタック。
- 前記変位吸収部材と、隣接する燃料電池単セル同士のセパレータの少なくとも一方のセパレータとの接触部分の少なくとも一部を接合したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
- 前記変位吸収部材の端部の少なくとも一部を隣接する燃料電池単セル同士のセパレータで挟持して連結したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
- セパレータと変位吸収部材の端部とを接合していることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池スタック。
- 変位吸収部材の端部を、セパレータの外側まで延出させていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の燃料電池スタック。
- セパレータと変位吸収部材の端部とを全周にわたり液密的に接合していることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の燃料電池スタック。
- 変位吸収部材と、これを挟持する二枚のセパレータの端部とを共通の溶接により接合していることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池スタック。
- セパレータと変位吸収部材との接合が、溶接、導電性ろう材を用いたろう付け、及び導電性接着剤を用いた接着のうちの少なくとも一つによるものであることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
- 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体との間にガス流路を形成する一対のセパレータと、導電性を有し且つ一方のセパレータの電池外側面に配置されて厚さ方向の変位を吸収可能な変位吸収部材を備えた燃料電池単セルを複数枚積層してなる燃料電池スタックを製造するに際し、
前記一方のセパレータは、膜電極接合体の発電領域と重なる領域が断面波形状を成しており、
前記変位吸収部材は、基板の片面に多数のばね機能部を配列して成る構造を有しており、
前記変位吸収部材の基板と、前記一方のセパレータとの接触部分の少なくとも一部を接合した後、
前記膜電極接合体及び一対のセパレータと、変位吸収部材とが交互に配置されるようにこれらを積層し、その積層方向に所定荷重を付与して各燃料電池単セルを拘束したことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 - 隣接する燃料電池単セル同士のセパレータ間で変位吸収部材の端部の少なくとも一部を挟持して連結することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池スタックの製造方法。
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