JP6437963B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

複数の単セルの積層体の積層方向の両端を、一対のターミナルプレートと一対のエンドプレートとで挟持した構成を有する燃料電池スタックの内部には、各単セルへの反応ガスの供給や、各単セルからのオフガスの排出、および各単セルへの冷却媒体の供給と排出を行うための複数のマニホールドが積層方向と平行に形成されている。少なくとも一方のエンドプレートには、燃料電池スタック内部の複数のマニホールドと連通するように複数の貫通孔が形成されている。一般に、エンドプレートは、アルミニウム合金等の金属により形成されているため、反応ガスや冷却媒体等による絶縁性や防食性の低下を抑制するために、エンドプレートとターミナルプレートとの接触面や、エンドプレートに形成された貫通孔の内周壁をそれぞれ樹脂層で被覆する技術が提案されている（特許文献１参照）。

燃料電池スタックは、単セルの積層体をケースに収容した構成を有することがある。この場合、ケース全体の端面とケースに収容された積層体の端面とがエンドプレートで覆われて、ケースの外縁周辺とエンドプレートとがボルト等で締結される。このとき、エンドプレートとケースとの接触面の気密性および水密性の確保のため、エンドプレートとケースとの接触面の間にガスケット等のシール部材が配置される。

特開２０１５−８０８６号公報

エンドプレートに形成された貫通孔の内周壁等を被覆する樹脂層とエンドプレートとの熱膨張率の相違に起因して、燃料電池の運転を繰り返すことによって、樹脂層とエンドプレートとの間に隙間が生じ得る。このため、エンドプレートとケースとの接触面において上述のシール部材が配置されていない部分や、エンドプレートにおいて樹脂層により被覆されていない部分や、樹脂層の外周縁部からケース内部へと水が浸入するおそれがある。そこで、エンドプレートとケースとの接触面におけるケース内部への水の浸入を抑制する技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一実施形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、積層された複数の単セルを含む積層体と；前記積層体に対して前記複数の単セルの積層方向の外側に配置され、前記積層方向に貫通する流体流路孔が形成されたエンドプレートと；前記積層体を収容するケースと；を備え；前記エンドプレートは、前記積層体の前記積層方向の端面と前記ケースの前記積層方向の端面とを覆って、前記ケースの前記端面に締結され；前記エンドプレートと前記ケースとの互いに対面する二つの面のうちの少なくとも一方の面には、前記エンドプレートと前記ケースとをシールするためのシール部材を収容する収容溝が形成され；前記エンドプレートは、前記流体流路孔の内周壁面と、前記積層体と対面する面と、前記収容溝の外周側端部と、を連続して覆う樹脂層を有する。
この形態の燃料電池スタックによれば、エンドプレートには、流体流路孔の内周壁面と、エンドプレートと積層体とが対面する面と、収容溝の外周側端部と、を連続して覆う樹脂層が形成されているので、熱膨張率の相違に起因して樹脂層とエンドプレートとの間に隙間が生じてかかる隙間に水が浸入したとしても、水は収容溝の外周側端部に至るに過ぎず、収容溝よりも内側への浸入は、収容溝に収容されるシール部材により抑制される。このため、エンドプレートとケースとの接触面におけるケース内部への水の浸入を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える車両等の形態においても実現できる。

本発明の一実施形態における燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。 第１のエンドプレートの構成を拡大して示す断面図である。 比較例としての燃料電池スタックにおける第１のエンドプレートの構成を拡大して示す断面図である。 第２実施形態としての燃料電池スタックにおける第１のエンドプレートの構成を拡大して示す断面図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。図１では、燃料電池スタック１００の積層方向に沿った断面を示している。図１では、Ｚ軸は鉛直方向と平行に、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向と平行に、それぞれ設定されている。＋Ｚ方向は鉛直上方に、−Ｚ方向は鉛直下方にそれぞれ相当する。積層方向は、Ｘ軸と平行である。

燃料電池スタック１００は、積層体２０と、第１のエンドプレート３０と、第２のエンドプレート３１と、ケース４０と、複数のボルト５０と、を備えている。積層体２０は、積層方向に沿って積層された複数の単セル１０を含んで構成されている。具体的には、積層体２０は、複数の単セル１０と、図示しないターミナルプレートと、図示しないインシュレータと、を備えている。各単セル１０は、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜を挟んで設けられたアノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層に供給される反応ガスを用いた電気化学反応により電力を発生する。各単セル１０において各極の触媒電極層の外側には、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。また、各極のガス拡散層の外側には、導電性を有するセパレータが配置されている。燃料電池スタック１００の内部には、各単セル１０に対する反応ガスの供給、各単セル１０からのオフガスの排出、および各単セル１０への冷却媒体の供給と排出を行うための複数のマニホールドが、積層方向と平行に形成されている。

第１のエンドプレート３０は、積層体２０の積層方向の２つの端面のうちの一方の端面に対し、積層方向の外側（−Ｘ方向）に位置する。より具体的には、単セル１０の−Ｘ方向側の端面には図示しないターミナルプレートが接して配置され、第１のエンドプレート３０は、かかるターミナルプレートに対して図示しないインシュレータを介在して積層方向の外側に配置されている。

第１のエンドプレート３０は、板状の部材であり、本実施形態では、アルミニウム合金により形成されている。なお、アルミニウム合金に代えて、チタニウム合金や、ステンレス等の任意の金属で形成されてもよい。第１のエンドプレート３０の平面視形状は、略矩形であり、その面積は、積層体２０の積層方向に沿った端面の平面視形状の面積よりも大きい。第１のエンドプレート３０は、第２のエンドプレート３１とともに、所定の圧力で積層体２０を挟み込む。そして、第１のエンドプレート３０とケース４０とがボルト５０により締結されることにより、積層体２０の積層状態が保持される。第１のエンドプレート３０には、厚さ方向（積層方向）に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これら複数の貫通孔は、積層体２０の内部に形成されている複数のマニホールドと連通する流体流路孔として機能する。具体的には、積層体２０への反応ガスおよび冷却媒体の供給、積層体２０からのオフガスおよび冷却媒体の排出のためのガス流路や、流体流路孔（後述の流体流路孔７０）として機能する。

第２のエンドプレート３１は、積層体２０の積層方向の２つの端面のうち、第１のエンドプレート３０が配置された側とは反対側の端面に対し、積層方向の外側（＋Ｘ方向）に位置する。上述の第１のエンドプレート３０と同様、単セル１０の他方の端面には、ターミナルプレートが接して配置され、第２のエンドプレート３１は、かかるターミナルプレートに対してインシュレータを介在して積層方向の外側に配置されている。第２のエンドプレート３１は、第１のエンドプレート３０と同様の形状を有し、第１のエンドプレート３０と同様の材料から成る。Ｘ軸方向に見て、第２のエンドプレート３１は、第１のエンドプレート３０よりも小さい。

ケース４０は、−Ｘ方向の端部に開口が形成された筒状の外観形状を有する。ケース４０の内側には、積層体２０と、第２のエンドプレート３１とが収容されている。図示するように、第１のエンドプレート３０は、自身の＋Ｘ方向の端面が積層体２０の−Ｘ方向の端面と、ケース４０の−Ｘ方向の端面とをそれぞれ覆うように配置され、ボルト５０によりケース４０の外縁周辺と締結されている。ケース４０は、防水性、防塵性、耐衝撃性に優れており、本実施形態では、アルミニウム合金により形成されている。

Ａ２．第１のエンドプレート３０の詳細構成：
図２は、第１のエンドプレート３０の構成を拡大して示す断面図である。図２では、図１に示す燃料電池スタック１００の−Ｘ方向端部側の構成を拡大して示している。第１のエンドプレート３０は、流体流路孔７０と、収容溝８０と、シール部材ＳＬと、樹脂層９０と、を備える。

流体流路孔７０は、第１のエンドプレート３０の厚さ方向（積層方向）に沿って形成された貫通孔である。上述のように、流体流路孔７０は、積層体２０に形成されているマニホールドと連通しており、冷却媒体の流路として用いられる。

収容溝８０は、第１のエンドプレート３０の＋Ｘ方向の面に形成されている。具体的には、第１のエンドプレート３０の＋Ｘ方向の面とケース４０の−Ｘ方向の面とが締結された際に、第１のエンドプレート３０とケース４０とが対面する面において、ケース４０の外縁周辺に対応する位置に形成されている。収容溝８０内には、シール部材ＳＬが収容されている。シール部材ＳＬは、第１のエンドプレート３０とケース４０との接触面をシールするために用いられる。シール部材ＳＬは、燃料電池スタック１００が締結された際の締結荷重を受け、シール部材ＳＬの面圧により、第１のエンドプレート３０とケース４０との間を密封する。これにより、燃料電池スタック１００の気密性および水密性を確保できる。本実施形態において、シール部材ＳＬは、ゴムにより形成されている。ゴムとしては、例えば、ブチルゴムやシリコンゴムを採用してもよい。

樹脂層９０は、流体流路孔７０の近傍に形成される。樹脂層９０は、冷却媒体による絶縁性や、防食性の低下を抑制するために用いられる。樹脂層９０は、以下の３つの領域を連続して覆って形成されている。第１に、樹脂層９０は、流体流路孔７０の内周壁面を覆って形成されている。第２に、樹脂層９０は、積層体２０の−Ｘ方向の面と第１のエンドプレート３０の＋Ｘ方向の面とが対面する面を覆って形成されている。第３に、樹脂層９０は、第１のエンドプレート３０の＋Ｘ方向の面とケース４０の−Ｘ方向の面とが対面する位置において収容溝８０の外周側端部を覆って形成されている。また、樹脂層９０は、これら３つの領域間にも形成されている。すなわち、樹脂層９０は、流体流路孔７０の内周壁面と、第１のエンドプレート３０と積層体２０とが対面する面と、収容溝８０の外周側端部と、を連続して覆うように形成されている。本実施形態において、樹脂層９０は、絶縁性高分子材料、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン、ポリアミド（ＰＡ）やポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等のエンジニアリングプラスチック、フッ素ゴムやシリコンゴム等のエラストマー、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂などにより形成されている。好適な材料として、芳香族ポリアミドまたはポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）を用いることができる。樹脂層９０は、第１のエンドプレート３０に樹脂層９０の形状をした金型を配置し、樹脂部材を射出成形することによって形成できる。このように形成することによって、第１のエンドプレート３０と積層体２０とケース４０とが隙間なく接合される。

上述のように、樹脂層９０が、流体流路孔７０の内周壁面と、第１のエンドプレート３０と積層体２０とが対面する面と、収容溝８０の外周側端部と、を連続して覆うことにより、水がケース４０内に浸入することが抑制できる。具体的には、例えば、第１のエンドプレート３０と樹脂層９０との境界のうち、第１のエンドプレート３０における−Ｘ方向の端面に露出している端部Ｐ１から水が浸入して、第１のエンドプレート３０と樹脂層９０との境界に沿って浸透した場合について検討する。この場合、第１のエンドプレート３０における＋Ｘ方向の端面に露出している端部Ｐ２まで水が浸入し得る。しかしながら、樹脂層９０は、収容溝８０の外周側端部まで覆っているため、端部Ｐ２は、ケース４０内部（内部空間）に対し、収容溝８０（シール部材ＳＬ）を挟んで反対側に位置する。このため、端部Ｐ２に達した水は、シール部材ＳＬにより、ケース４０内部へ浸入することを抑制される。

Ａ３．比較例：
図３は、比較例としての燃料電池スタック５００における第１のエンドプレート５３０の構成を拡大して示す断面図である。図３に示すように、比較例の第１のエンドプレート５３０では、樹脂層５９０は、流体流路孔７０の内周壁面と、第１のエンドプレート５３０と積層体２０とが対面する面と、を連続して覆うように形成されているが、収容溝８０の外周側端部とを連続して覆うようには形成されていない。このため、第１のエンドプレート５３０と樹脂層５９０との境界のうち、第１のエンドプレート５３０における−Ｘ方向の端面に露出している端部Ｐ１１から浸入した水は、第１のエンドプレート５３０における＋Ｘ方向の端面に露出している端部Ｐ１２まで浸入し得る。端部Ｐ１２は、収容溝８０（シール部材ＳＬ）の内周側、かつ、ケース４０の内周側に位置するため、端部Ｐ１２に達した水は、ケース４０内部へ浸入するおそれがある。

以上説明した、第１実施形態の燃料電池スタック１００によれば、第１のエンドプレート３０には、流体流路孔７０の内周壁面と、第１のエンドプレート３０と積層体２０とが対面する面と、収容溝８０の外周側端部と、を連続して覆う樹脂層９０が形成されているので、熱膨張率の相違に起因して樹脂層９０と第１のエンドプレート３０との間に隙間が生じてかかる隙間に水が浸入したとしても、水は収容溝８０の外周側端部に至るに過ぎず、収容溝８０よりも内側への浸入は、収容溝８０に収容されるシール部材ＳＬにより抑制される。このため、第１のエンドプレート３０とケース４０との接触面におけるケース４０内部への水の浸入を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態としての燃料電池スタック１００ａにおける第１のエンドプレート３０ａの構成を拡大して示す断面図である。第２実施形態の燃料電池スタック１００ａは、第１のエンドプレート３０に代えて第１のエンドプレート３０ａを備えている点と、ケース４０に代えてケース４０ａを備えている点と、収容溝８０に代えて収容溝８０ａを備えている点と、樹脂層９０に代えて樹脂層９０ａを備えている点とにおいて、第１実施形態の燃料電池スタック１００と異なる。第２実施形態の燃料電池スタック１００ａにおけるその他の構成は、第１実施形態の燃料電池スタック１００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第２実施形態の第１のエンドプレート３０ａは、収容溝８０が形成されていない点において、第１実施形態の第１のエンドプレート３０と異なる。第２実施形態のケース４０ａは、収容溝８０ａが形成されている点において、第１実施形態のケース４０と異なる。第２実施形態の収容溝８０ａは、ケース４０ａの−Ｘ方向の面の外周縁部に形成されている。収容溝８０ａのＺ軸に沿った配置位置は、第１実施形態の収容溝８０と同様である。第２実施形態の樹脂層９０ａは、流体流路孔７０の内周壁面と、第１のエンドプレート３０ａと積層体２０とが対面する面と、収容溝８０ａの外周に対応する位置と、を連続して覆うように形成されている。すなわち、収容溝８０ａ外周側端部に対応する位置まで樹脂層９０ａにより連続して覆われている。

以上の構成を有する第２実施形態の燃料電池スタック１００ａは、第１実施形態の燃料電池スタック１００と同様な効果を有する。加えて、樹脂層９０ａの形状は、複雑ではないため、樹脂層９０ａの金型構造が複雑化せず、製造コストを低減できる。

Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
上記各実施形態において、収容溝８０、８０ａは、第１のエンドプレート３０、３０ａとケース４０、４０ａとの互いに対面する二つの面のうちのいずれか一方に形成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１のエンドプレート３０とケース４０との互いに対面する二つの面の双方に形成されていてもよい。この場合、第１のエンドプレート３０に形成された収容溝とケース４０に形成された収容溝とは、Ｚ軸に沿った配置位置が互いに異なっていてもよい。このとき、樹脂層９０は、２つの収容溝のうち、より外周側に位置する収容溝の外周側端部まで覆うことが好ましい。但し、より内周側に位置する収容溝の外周側端部までを覆い、より外周側に位置する収容溝の外周側端部を覆わなくてもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｃ２．変形例２：
上記各実施形態において、流体流路孔７０は、冷却媒体の流路として用いられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、反応ガスや、オフガスの流路孔として用いてもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…単セル
２０…積層体
３０、３０ａ、５３０…第１のエンドプレート
３１…第２のエンドプレート
４０、４０ａ…ケース
５０…ボルト
７０…流体流路孔
８０、８０ａ…収容溝
９０、９０ａ、５９０…樹脂層
１００、１００ａ、５００…燃料電池スタック
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１１、Ｐ１２…端部
ＳＬ…シール部材

Claims (1)

1. 燃料電池スタックであって、
   積層された複数の単セルを含む積層体と、
   前記積層体に対して前記複数の単セルの積層方向の外側に配置され、前記積層方向に貫通する流体流路孔が形成されたエンドプレートと、
   前記積層体を収容するケースと、
   を備え、
   前記エンドプレートは、前記積層体の前記積層方向の端面と前記ケースの前記積層方向の端面とを覆って、前記ケースの前記端面に締結され、
   前記エンドプレートと前記ケースとの互いに対面する二つの面のうちの少なくとも一方の面には、前記エンドプレートと前記ケースとをシールするためのシール部材を収容する収容溝が形成され、
   前記エンドプレートは、前記流体流路孔の内周壁面と、前記積層体と対面する面と、前記収容溝の外周側端部と、を連続して覆う樹脂層を有する、
   燃料電池スタック。

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