JP6395122B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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、複数の単セルを積層して、その積層方向に貫通した反応用ガス流通用のマニホールドを備え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（マニホールド）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。

日本国特許第４５５１７４６号公報

ところで、上記したような燃料電池スタックは、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（マニホールド）が、生成水の排出経路としても用いられる。

その一方、この種の燃料電池スタックでは、多数枚の単セルを積層すると単セル同士の間でずれが生じやすいので、所定枚数の単セルを積層して一体化することで複数のセルモジュールを構成し、このセルモジュールと、セルモジュール間のシール性を維持するためのシールプレートとを交互に積層した構造にすることで、積層状態の維持や単セルの交換性を図ることが行われている。

ところが、上記のようにセルモジュールとシールプレートとを積層した燃料電池スタックでは、とくに、シールプレートの介在部分において、マニホールドの内周面に凹凸が生じ、マニホールド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、マニホールドにおける生成水の滞留を防止するには、例えば、マニホールドの内周面全体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、セルモジュールとシールプレートとを備えると共に、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、複数の単セルを積層して一体化した複数のセルモジュールと、セルモジュール同士の間に介装されるシールプレートと、セルモジュール及びシールプレートを積層方向に貫通して反応用ガスを流通させるマニホールドとを備えている。そして、燃料電池スタックは、シールプレートが、セルモジュールとの間でマニホールドの周囲をシールするシール部材を備えると共に、シール部材が、マニホールド側に延出してマニホールドの内周面と同一平面状を成す端面を有する延長部を備え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、セルモジュールとシールプレートとを備えると共に、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、とくに、シールプレートの介在部分におけるマニホールドの内周面の凹凸が解消され、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。

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斜視図（Ａ）、及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。 図１に示す燃料電池スタックを構成する単セル及びシールプレートを説明する分解状態の平面図（Ａ）、及び単セルの平面図（Ｂ）である。 シールプレートの端部を示す平面図である。 図３中のＸ−Ｘ線に基づく燃料電池スタックの要部の斜視断面図（Ａ）、及びマニホールド部分の拡大断面図（Ｂ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第２実施形態を説明する要部の斜視断面図（Ａ）、及びマニホールド部分の拡大断面図（Ｂ）である。

〈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に示す燃料電池スタックＦＳは、複数の単セルＣを積層して一体化した複数のセルモジュールＭと、セルモジュールＭ間に介装されるシールプレートＰとを備えている。図１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。

図示の燃料電池スタックＦＳは、図１（Ｂ）に示すように、セルモジュールＭ及びシールプレートＰから成る積層体に対し、積層方向の一端部（図中で右側端部）に、集電板やスペーサ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、同じく集電板やスペーサ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、積層体に対し、単セルＣの長辺側となる両面（図中で上下面）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（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体をその積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣ及びシールプレートＰ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５１とほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状の金属製板部材であって、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を形成し、この単セルＣを所定枚数積層して先のセルモジュールＭを構成する。このとき、セルモジュールＭは、各単セルＣにおいて、フレーム５１及び各セパレータ２Ａ，２Ｂの流通穴Ｈ１〜Ｈ６同士が互いに連続する。また、単セルＣ同士の間には、後記するシール部材を設けて冷却用液体の流路を形成する。

シールプレートＰは、図２（Ａ）に示すように、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、単セルＣとほぼ同じ縦横寸法を有する長方形状に形成してあって、隣接するセルモジュールＭとの間に、後記するシール部材を設けて冷却用液体の流路を形成する。また、シールプレートＰは、短辺両側に、単セルＣと同様の流通穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が形成してある。

上記の単セルＣ及びシールプレートＰは、互いに積層した状態において、夫々の流通穴Ｈ１〜Ｈ６が互いに連通し、図２（Ｂ）に示すように、積層方向に連続したマニホールドＭ１〜Ｍ６を形成する。一例として、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。

膜電極接合体１のフレームと各セパレータ２Ａ，２Ｂの縁部同士の間や、各々の流通穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール部材Ｓ１，Ｓ２が設けてある。このシール部材Ｓ１，Ｓ２には、部材同士の接合後にシール性を発揮する接着剤を用いることができる。流通穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲のシール部材Ｓ２は、各層間に応じた流体を流通させるために、図２に示すように該当する箇所に配置せず、若しくは一部に開口部（不連続部）を有するシール部材（Ｓ２）を配置する。

シールプレートＰは、その縁部及び流通穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、隣接するセルモジュールＭとの間を封止するシール部材Ｓ３，Ｓ４を備えている。シールプレートＰは、先述したように、セルモジュールＭとの間に冷却用流体の流路を形成するので、図３にも示すように、冷却用流体の流通穴Ｈ２（Ｈ５）の周囲にはシール部材（Ｓ４）を配置せず、若しくは一部に開口部を有するシール部材（Ｓ４）を配置する。

上記の単セルＣ及びシールプレートＰを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、セパレータ２Ａ，２Ｂ及びシールプレートＰ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ている。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，Ｐ）の端面が同一平面状に連続した状態になっている。

また、この実施形態における燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）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、並びにシールプレートＰが、夫々の流通穴Ｈ３の内周部に、平坦形成面Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を有している。そして、各々の平坦形成面Ｆ１〜Ｆ４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。ここで、単セルＣにおける流通穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲のシール部材Ｓ１は、リブ２１の先端面とカソード側セパレータ２Ｂとの間に設けられる。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。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。

シールプレートＰは、図３及び図４に示すように、先述したように、セルモジュールＭとの間でマニホールドＭ３の周囲をシールするシール部材Ｓ４を備えている。そして、シールプレートＰは、シール部材Ｓ４に、マニホールドＭ３側に延出してマニホールドＭ３の内周面と同一平面状を成す端面を有する延長部Ｅを備えている。つまり、シールプレートＰは、延長部Ｅの端面が、マニホールドＭ３の内周面と同一平面状に連続する前記平坦形成面Ｆ４であり、図３に示すように重力方向の下側に延長部Ｅが設けてある。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、マニホールドＭ３の内周面の少なくとも一部が、シール部材Ｓ４の延長部Ｅの端面（平坦形成面Ｆ４）を含み且つ単セルＣの積層方向に連続した平面状に形成されている。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、シールプレートＰのシール部材Ｓ４が、マニホールドＭ３，Ｍ６の内周面と同一平面状を成す端面（Ｆ４）を有する延長部Ｅを備えているので、とくに、シールプレートＰの介在部分におけるマニホールドＭ３，Ｍ６の内周面の凹凸が解消される。これにより、燃料電池スタックＦＳは、マニホールドＭ３，Ｍ６の内周面全体を被覆するような特別な部材が不要であり、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ＦＳは、シール部材Ｓ４の延長部Ｅが、マニホールドＭ３，Ｍ６の内周面のうちの少なくとも重力方向の下側に設けてあるので、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。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、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〜Ｆ３を有し、マニホールドＭ３．Ｍ６の内周面の少なくとも一部が、シール部材Ｓ４の延長部Ｅの端面（平坦形成面Ｆ４）を含み且つ単セルＣの積層方向に連続した平面状に形成されている。これにより、燃料電池スタックＦＳは、生成水をより円滑に排出することができ、マニホールドＭ３の内周面にフレーム５１、セパレータ２Ａ，２Ｂ及びシールプレートＰである積層部材の端面（Ｆ１〜Ｆ４）が露出していても、排水性が良好であるから、生成水による部材の腐食を防止することができる。

〈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、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。

また、シールプレートＰは、シール部材Ｓ４の延長部Ｅの先端に、積層方向の両側に突出してセルモジュールＭ，Ｍに圧接するリブ２２，２２を有しており、このリブ２２，２２の側面を含む平坦形成面Ｆ４を有している。したがって、この実施形態の燃料電池スタックＦＳは、フレーム５１及びシールプレートＰの平坦形成面Ｆ１，Ｆ４により、マニホールドＭ３の内周面が積層方向に連続した平面状に形成されている。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳ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。

しかも、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭ，ＭとシールプレートＰとを積層した際、セルモジュールＭ，Ｍ間で延長部Ｅのリブ２２，２２が圧縮された状態になる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭ，ＭとシールプレートＰとの間に良好なシール面圧を確保することができ、層間への生成水の浸入をより確実に阻止することができる。

また、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、延長部Ｅのリブ２２，２２によるシール性向上と相俟って、セパレータ２Ａ，２Ｂに対する充分な防水機能を得ることができる。

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
２２ リブ
５１ フレーム
Ｃ 単セル
Ｅ 延長部
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
Ｆ４ シール部材の平坦形成面
Ｈ１〜Ｈ６ 流通穴
Ｍ セルモジュール
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
Ｐ シールプレート
Ｓ１〜Ｓ４ シール部材

Claims (4)

1. 複数の単セルを積層して一体化した複数のセルモジュールと、
   セルモジュール同士の間に介装されるシールプレートと、
   セルモジュール及びシールプレートを積層方向に貫通して反応用ガスを流通させるマニホールドとを備え、
   シールプレートが、セルモジュールとの間でマニホールドの周囲をシールするシール部材を備えると共に、シール部材が、マニホールド側に延出してマニホールドの内周面と同一平面状を成す端面を有する延長部を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記シール部材の延長部が、マニホールドの内周面のうちの少なくとも重力方向の下側に設けてあ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。
3. 前記シール部材の延長部が、その先端に、積層方向に突出してセルモジュールに圧接するリブを有している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. 前記単セルが、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構造を有し、
   各単セルのフレーム及びセパレータ、並びにシールプレートが、積層状態で互いに連続して前記マニホールドを形成する流通穴を夫々有し、
   マニホールドの内周面の少なくとも一部が、シール部材の延長部の端面を含み且つ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請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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