JP6395121B2 - 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などの燃料電池の改良に関し、とくに、膜電極接合体と一対のセパレータとを備えた単セルを複数枚積層した構造を有す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スタックとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の燃料電池スタックは、電解質・電極構造体と金属セパレータとを水平方向に沿って交互に積層すると共に、積層方向に貫通して冷却媒体又は反応ガスのいずれかの流体を流す流体連通孔を形成している。そして、燃料電池スタックは、金属セパレータに、同金属セパレータの面及び流体連通孔の内壁を覆って絶縁部材を設け、この絶縁部材により冷却媒体又は反応ガスのいずれかの流体のシール性を確保した構成である。
ところで、上記したような燃料電池スタックでは、発電に伴って水が生成されることとなり、積層方向に形成した流体連通孔のうちの排出用の流体連通孔が、生成水の排出経路としても用いられる。これに対して、上記従来の燃料電池スタックは、流体連通孔の内周が各層の隙間により凹凸状になっているので、流体連通孔の内部に生成水が滞留し易いという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
なお、流体連通孔における生成水の滞留を防止するには、例えば、流体連通孔の内周全面を絶縁部材で被覆することも考えられるが、この場合には、製造コストが嵩むほか、温度や絶縁部材の圧縮条件などにより流路面積が変化し、流路の圧力損失や各単セルへの流体の分配に悪影響を与える恐れがある。
本発明は、上記従来の状況の課題に着目して成されたもので、積層方向に反応用ガス流通用のマニホールドを有する燃料電池スタックであって、反応用ガスの流通性の低下や製造コストの増加を招くことなく、マニホールドを通して生成水を良好に排出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、周囲にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備えた単セルを複数枚積層した構造を有している。そして、燃料電池スタックは、各単セルのフレーム及びセパレータが、積層状態で互いに連続して反応用ガス流通用のマニホールドを形成する流通穴を有し、マニホールドの内周面の少なくとも一部が、単セルの積層方向に連続した平面状に形成されていることを特徴としている。
本発明に係わる燃料電池スタックは、積層方向に反応用ガス流通用のマニホールドを有する燃料電池スタックにおいて、特別な部材を用いることなく、フレームやセパレータである積層部材の端面（流通穴の内周面）により、マニホールドの内周面の少なくとも一部が、単セルの積層方向に隙間無く連続した平面状に形成される。つまり、マニホールドの内周面の少なくとも一部において、積層部材の端面が同一平面状に連続した状態となる。
これにより、燃料電池スタックは、反応用ガスの流通性の低下や製造コストの増加を招くことなく、マニホールドを通して生成水を良好に排出することができる。また、燃料電池スタックは、マニホールドの内周面にフレームやセパレータである積層部材の端面が露出していても、排水性が良好であるから、滞留した生成水による積層部材の腐食を防止することができる。
〈第１実施形態〉
図１〜図４は、本発明に係わる燃料電池スタックの第１実施形態を説明する図である。
図１（Ａ）に示す燃料電池スタックＦＳは、単セルＣの積層体Ａに対し、積層方向の一端部（図１中で右側端部）に、集電板５４Ａ及びスペーサ５５を介してエンドプレート５６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板５４Ｂを介してエンドプレート５６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。
図１〜図４は、本発明に係わる燃料電池スタックの第１実施形態を説明する図である。
図１（Ａ）に示す燃料電池スタックＦＳは、単セルＣの積層体Ａに対し、積層方向の一端部（図１中で右側端部）に、集電板５４Ａ及びスペーサ５５を介してエンドプレート５６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板５４Ｂを介してエンドプレート５６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。
そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８ＢをボルトＢ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（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａをその積層方向に拘束・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、周囲にフレーム５１を有する膜電極接合体１と、フレーム５１及び膜電極接合体１を挟持する一対のセパレータ２Ａ，２Ｂとを備え、フレーム５１及び膜電極接合体１と夫々のセパレータ２Ａ，２Ｂとの間に、アノード及びカソードのガス流路を夫々形成する。
膜電極接合体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示を省略したが、固体高分子から成る電解質層をカソード電極層とアノード電極層とで挟持した周知の構造を有するものである。
フレーム５１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極接合体１と一体化してあり、この実施形態では、膜電極接合体１を中央にして長方形状を成している。また、フレーム５１は、短辺両側に、各々三個ずつの反応用ガス流通用の流通穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が配列してある。
各セパレータ２Ａ，２Ｂは、フレーム５とほぼ同等の縦横寸法を有する金属製の長方形状の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の表裏反転形状に成形してある。図示例のセパレータ２Ａ，２Ｂは、少なくとも膜電極接合体１に対応する中央部分が断面凹凸形状に形成してある。両セパレータ２Ａ，２Ｂは、断面凹凸形状を長辺方向に連続的に有しており、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部により、膜電極接合体１との間にアノード及びカソードのガス流路を形成する。また、各セパレータ２Ａ，２Ｂは、短辺両側に、フレーム５１の各流通穴Ｈ１〜Ｈ６と同等の流通穴Ｈ１〜Ｈ６が形成してある。
上記のフレーム５１及び膜電極接合体１と両セパレータ２Ａ，２Ｂは、重ね合わせて単セルＣを構成する。このとき、単セルＣは、フレーム５１及び各セパレータ２Ａ，２Ｂの流通穴Ｈ１〜Ｈ６同士が互いに連続して反応用ガス流通用のマニホールドＭ１〜Ｍ６を形成する。また、単セルＣは、複数枚積層して前記燃料電池スタック（積層体Ａ）ＦＳを構成し、積層方法に隣接する単セルＣ同士の間に冷却用流体の流路を形成する。これにより、燃料電池スタックＦＳは、単セルＣの積層方向に反応用ガス流通用のマニホールドＭ１〜Ｍ６を有するものとなる。
ここで、図２（Ｂ）に示す単セルＣにおいて、図中左側である一端側のマニホールドＭ１〜Ｍ３は、上から順に、カソードガス供給用（Ｍ１）、冷却用流体供給用（Ｍ２）、及びアノードガス排出用（Ｍ３）である。また、同単セルＣにおいて、図中右側である他端側のマニホールドＭ４〜Ｍ６は、上から順に、アノードガス供給用（Ｍ４）、冷却用流体排出用（Ｍ５）、及びカソードガス供給用（Ｍ６）である。なお、アノードガスは、水素含有ガスである。カソードガスは、酸素含有ガスであって、例えば空気である。冷却用流体は、例えば水である。
さらに、上記の単セル池Ｃは、図３にフレーム５１及び膜電極接合体１を示すように、フレーム５１の縁部や、流通穴Ｈ１〜Ｈ３の周囲に、セパレータ２Ａ，２Ｂとの間を封止するガスシールＳが設けてある。このガスシールＳは、フレーム５１とセパレータ２Ａ，２Ｂとを接合する接着剤により形成することが可能である。なお、図３に示す流通穴Ｈ１〜Ｈ３は、図１及び２に示すものと形状が異なるが、その機能に変わりはない。
この際、ガスシールＳは、図３（Ａ）に示すアノード側においては、アノードガスの流通を妨げないように、アノードガス排出用の流通穴Ｈ３の一辺を除く縁部（太線部）に設けられる。換言すれば、ガスシールＳは、流通穴Ｈ３の縁部の適宜の箇所に、アノードガスを流通させる開放部（不連続部）が設けられる。
また、ガスシールＳは、図３（Ｂ）に示すカソード側においては、カソードガスの流通を妨げないように、カソードガス供給用の流通穴Ｈ１の一辺を除く縁部（太線部）に設けられる。なお、図示は省略したが、単セルＣ同士の間（相対向するセパレータ同士の間）においても、冷却用流体の流通を妨げないように、セパレータの流通穴Ｈ２，Ｈ４の一辺を除く縁部にシールが設けられる。
上記の単セルＣを複数枚積層して成る燃料電池スタックＦＳは、とくに、反応用ガス排出用のマニホールドＭ３，Ｍ６の内周面の少なくとも一部が、単セルＣの積層方向に連続した平面状に形成されている。より具体的には、燃料電池スタックＦＳは、フレーム５１やセパレータ２Ａ，２Ｂである積層部材の端面（流通穴Ｈ３，Ｈ６の内周面）により、マニホールドＭ３，Ｍ６の内周面の少なくとも一部が、単セルＣの積層方向に連続した平面状に形成される。つまり、マニホールドＭ３，Ｍ６の内周面の少なくとも一部において、積層部材（５１，２Ａ，２Ｂ）の端面が同一平面状に連続した状態になっている。
この実施形態における燃料電池スタックＦＳは、図１に示すように、単セルＣの長辺が水平になる姿勢で設置される。この場合、マニホールドＭ３，Ｍ６の内周面において平面状に形成される部分は、重力方向において少なくとも下側の部分である。なお、平面状に形成される部分は、下側の部分に加えて、それ以外の部分を含めても良いし、さらに、排出用のマニホールドＭ３，Ｍ６に加えて、供給用のマニホールドＭ１，Ｍ４の内周面に形成しても良い。
図４は、図３中のＸ−Ｘ線に基づく斜視断面図であり、アノードガス排出用のマニホールドＭ３の部分を示している。なお、図４（Ａ）では、マニホールドＭ３内のガスの流通方向が矢印で示す下方向であるが、先述したように、燃焼電池スタックＦＳの姿勢が図１に示すものである場合、ガスの流通方向は水平方向である。
この実施形態では、図４（Ｂ）に拡大した断面を示すように、各単セルＣのフレーム５１及びセパレータ２Ａ，２Ｂが、夫々の流通穴Ｈ３の内周部に、平坦形成面Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を有している。そして、各々の平坦形成面Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３同士を互いに同一平面状に連続させることにより、マニホールドＭ３の内周面の少なくとも一部を、単セルＣの積層方向に連続した平面状に形成している。
より具体的には、フレーム５１は、流通穴Ｈ３の内周部に、カソード側（図４中で下側）の面に突出するリブ２１を一体的に有しており、このリブ２１を含む流通穴Ｈ３の内周面を平坦形成面Ｆ１としている。また、セパレータ２Ａ，２Ｂは、夫々の流通穴Ｈ３の内周面を平坦形成面Ｆ２，Ｆ３としている。
さらに、先述したガスシールＳは、アノード側セパレータ２Ａ及びフレーム５１の各流通穴Ｈ３の縁部同士の間、フレーム５１及びカソード側セパレータ２Ｂの各流通穴Ｈ３の縁部同士の間、隣接する単セルＣのカソード側セパレータ２Ｂ及びアノード側セパレータ２Ａの縁部同士の間に設けられる。
このとき、図示例の燃料電池スタックＦＳでは、フレーム５１のカソード側の面に突出するリブ２１を有しているので、リブ２１の先端面とカソード側セパレータ２Ｂとの間にガスシールが設けられる。この場合、先述したカソードガスの流通させるための開放部は、リブ２１の一部を除去して設けることができる。なお、図４には、アノードガス排出用のマニホールドＭ３を例示したが、それ以外の反応用ガスのマニホールドＭ１，Ｍ４，Ｍ６に同様の構成を採用することも当然可能である。
上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、各単セルＣにおいて、膜電極接合体１のアノード電極層及びカソード電極層にアノードガス及びカソードガスを夫々供給することにより、電気化学反応により発電をし、この際、発電に伴って水が生成される。この生成水は、主に反応用ガス排出用のマニホールドＭ３，Ｍ６を通して排出される。
これに対して、燃料電池スタックＦＳは、特別な部材を用いることなく、フレーム５１やセパレータ２Ａ，２Ｂである積層部材の端面により、マニホールドＭ３の内周面の少なくとも一部が、単セルＣの積層方向に隙間無く連続した平面状に形成されている。
とくに、上記の実施形態における燃料電池ＦＳは、各フレーム５１及び各セパレータ２Ａ，２Ｂが、夫々の流通穴Ｈ３の内周部に、平坦形成面Ｆ１〜Ｆ３を有し、各々の平坦形成面Ｆ１〜Ｆ３同士を互いに同一平面状に連続させることにより、マニホールドＭ３の内周面の少なくとも一部が、単セルＣの積層方向に連続した平面状に形成されている。
このため、燃料電池スタックＦＳは、反応用ガスの流通性の低下や、製造コストの増加を招くことなく、マニホールドＭ３を通して生成水を良好に排出することができる。しかも、燃料電池スタックＦＳは、マニホールドＭ３の内周面にフレーム５１やセパレータ２Ａ，２Ｂである積層部材の端面、すなわち平坦形成面Ｆ１〜Ｆ３端面が露出していても、排水性が良好であるから、滞留した生成水による積層部材（５１，２Ａ，２Ｂ）の腐食を防止することができる。
さらに、上記実施形態における燃料電池スタックＦＳは、マニホールドＭ３の内周面において平面状に形成された部分が、重力方向において少なくとも下側の部分であることから、生成水をより円滑に且つ速やかに排出することができる。
〈第２実施形態〉
図５は、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を説明する図であって、図４と同様に、図３中のＸ−Ｘ線に基づく斜視断面図及び拡大断面図である。つまり、図５は、アノードガス排出用のマニホールドＭ３の部分を示している。なお、図５〜図７に示す第２〜第４の実施形態において、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を省略する。
図５は、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を説明する図であって、図４と同様に、図３中のＸ−Ｘ線に基づく斜視断面図及び拡大断面図である。つまり、図５は、アノードガス排出用のマニホールドＭ３の部分を示している。なお、図５〜図７に示す第２〜第４の実施形態において、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を省略する。
図５に示す燃料電池スタックＦＳは、各単セルＣのフレーム５１が、夫々の流通穴Ｈ３の内周部（縁部）に、当該フレーム５１の少なくとも一方側の面に突出してセパレータ２Ａ，２Ｂの流通穴Ｈ３の内周面を被覆するリブ２１と、リブ２１の側面を含む平坦形成面Ｆ１とを有している。図示例のフレーム５１は、カソード側（図５中で下側）の面に突出するリブ２１を一体的に有している。
そして、燃料電池スタックＦＳは、各フレーム５１の平坦形成面Ｆ１同士を互いに同一平面状に連続させることにより、マニホールドＭ３の内周面の少なくとも一部を、単セルＣの積層方向に隙間無く連続した平面状に形成している。つまり、先の第１実施形態では、フレーム５１及びセパレータ２Ａ，２Ｂの平坦形成面Ｆ１〜Ｆ３でマニホールドＭ３の平面を形成していたのに対して、この実施形態では、フレーム５１の平坦形成面Ｆ１だけでマニホールドＭ３の平面を形成している。
上記の燃料電池スタックＦＳは、第１実施形態と同様に、反応用ガスの流通性の低下や、製造コストの増加を招くことなく、マニホールドＭ３を通して生成水を良好に排出することができる。しかも、燃料電池スタックＦＳは、樹脂製のフレーム５１に設けたリブ２１により金属製のセパレータ２Ａ，２Ｂの流通穴Ｈ３の内周面を被覆しているので、その内周面に生成水が接触することがなく、腐食に対する内周面の充分な保護機能を得ることができる。
〈第３実施形態〉
図６は、本発明に係わる燃料電池スタックの第３実施形態を示す図であって、図３中のＸ−Ｘ線に基づく単セルの流通穴部分の断面図である。
図６は、本発明に係わる燃料電池スタックの第３実施形態を示す図であって、図３中のＸ−Ｘ線に基づく単セルの流通穴部分の断面図である。
図６に示す単セルＣのフレーム５１は、流通穴Ｈ３の内周部（縁部）に、当該フレーム５１の両方の面に突出したリブ２１，２１を一体的に有しており、リブ２１，２１の側面を含む内周部を平坦形成面Ｆ１としている。
そして、単セルＣは、フレーム５１の流通穴Ｈ３の縁部に、積層方向に隣接する相手部材との接着部を有すると共に、接着部の流通穴の反対側に、接着剤２２の溜まり部を有している。
接着部は、硬化後にシールとして機能する接着剤２２を塗布した部分であって、先述したガスシール（図３参照）と同等のものであり、図示例の場合は、リブ２１の先端面である。また、積層方向に隣接する相手部材は、アノード側及びカソード側のセパレータ２Ａ，２Ｂである。また、溜まり部２３は、フレーム５１に形成した溝状の凹部であって、接着部に接着剤２２を塗布してセパレータ２Ａ，２Ｂを接合した際に、余剰となった接着剤２２を逃がす部分である。
上記構成の単セルＣを積層して成る燃料電池スタックは、先の実施形態と同様に、反応用ガスの流通性の低下や、製造コストの増加を招くことなく、マニホールドＭ３を通して生成水を良好に排出することができる。さらには、フレーム５１とセパレータ２Ａ，２Ｂとの間は、接着剤２２により隙間無く埋められると共に、溜まり部２３により、余剰となった接着剤２２を逃がして流通穴Ｈ３側へのはみ出しが抑制されるので、マニホールドＭ３の内周面を平面状に形成することができる。
〈第４実施形態〉
図７は、本発明に係わる燃料電池スタックの第４実施形態を示す図であって、図３中のＸ−Ｘ線に基づく単セルの流通穴部分の断面図である。
図７は、本発明に係わる燃料電池スタックの第４実施形態を示す図であって、図３中のＸ−Ｘ線に基づく単セルの流通穴部分の断面図である。
図７に示す単セルＣのフレーム５１は、流通穴Ｈ３の内周部（縁部）に、当該フレーム５１の両方の面に突出したリブ２１，２１を一体的に有しており、リブ２１，２１の側面を含む内周部を平坦形成面Ｆ１としている。
そして、単セルＣは、フレーム５１の流通穴Ｈ３の縁部に、積層方向に隣接する相手部材（セパレータ２Ａ，２Ｂ）との接着部を有すると共に、接着部の流通穴Ｈ３の反対側に、接着剤２２の溜まり部２３を有し、さらに、接着部が、溜まり部２３に向けて下り勾配を成す傾斜面２４を有している
上記構成の単セルＣを積層して成る燃料電池スタックは、先の実施形態と同様に、反応用ガスの流通性の低下や、製造コストの増加を招くことなく、マニホールドＭ３を通して生成水を良好に排出することができる。さらには、フレーム５１とセパレータ２Ａ，２Ｂとの間は、接着剤２２により隙間無く埋められると共に、傾斜面２４により、余剰となった接着剤２２を積極的に溜まり部２３に逃がすことができる。これにより、流通穴Ｈ３側への接着剤２２のはみ出しがより確実に抑制されるので、マニホールドＭ３の内周面を平面状に形成することができる。
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構成の細部を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることが可能である。
１ 膜電極接合体
２Ａ，２Ｂ セパレータ
２１ リブ
２２ 接着剤
２３ 溜まり部
２４ 傾斜面
５１ フレーム
Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｆ１ フレームの平坦形成面
Ｆ２，Ｆ３ セパレータの平坦形成面
Ｈ１〜Ｈ６ 流通穴
Ｍ１ カソードガス供給用のマニホールド
Ｍ３ アノードガス排出用のマニホールド
Ｍ４ アノードガス供給用のマニホールド
Ｍ６ カソードガス排出用のマニホールド
２Ａ，２Ｂ セパレータ
２１ リブ
２２ 接着剤
２３ 溜まり部
２４ 傾斜面
５１ フレーム
Ｃ 単セル
ＦＳ 燃料電池スタック
Ｆ１ フレームの平坦形成面
Ｆ２，Ｆ３ セパレータの平坦形成面
Ｈ１〜Ｈ６ 流通穴
Ｍ１ カソードガス供給用のマニホールド
Ｍ３ アノードガス排出用のマニホールド
Ｍ４ アノードガス供給用のマニホールド
Ｍ６ カソードガス排出用のマニホールド
Claims (6)
- 周囲にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備えた単セルを複数枚積層した構造を有し、
各単セルのフレーム及びセパレータが、積層状態で互いに連続して反応用ガス流通用のマニホールドを形成する流通穴を有し、
マニホールドの内周面の少なくとも一部が、単セルの積層方向に連続した平面状に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。 - 各フレーム及び各セパレータが、夫々の流通穴の内周部に、平坦形成面を有しており、
各々の平坦形成面同士を互いに連続させることにより、マニホールドの内周面の少なくとも一部を、単セルの積層方向に連続した平面状に形成していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。 - 各フレームが、夫々の流通穴の内周部に、当該フレームの少なくとも一方側の面に突出してセパレータの流通穴の内周面を被覆するリブと、リブの側面を含む平坦形成面とを有しており、
各フレームの平坦形成面同士を互いに連続させることにより、マニホールドの内周面の少なくとも一部を、単セルの積層方向に連続した平面状に形成していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。 - マニホールドの内周面において平面状に形成された部分は、重力方向において少なくとも下側の部分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。
- 各フレームが、夫々の流通穴の縁部に、積層方向に隣接する相手部材との接着部を有すると共に、接着部の流通穴の反対側に、接着剤の溜まり部を有してい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。
- 前記接着部が、溜まり部に向けて下り勾配を成す傾斜面を有してい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。
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