JP6656596B2

JP6656596B2 - 燃料電池の単セル構造

Info

Publication number: JP6656596B2
Application number: JP2017567948A
Authority: JP
Inventors: 敬士市原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-10-17
Also published as: WO2017141490A1; CN108604692B; US11018351B2; KR20180105250A; KR101951163B1; JPWO2017141490A1; EP3419091A4; CN108604692A; EP3419091A1; EP3419091B1; CA3014553A1; US20200028186A1; CA3014553C

Description

本発明は、燃料電池の単セル構造に関する。

従来、簡単な構成で、所望のシール機能を確保しながら、ブリッジ部に適切な反応ガス連結流路を形成することが可能な燃料電池が提案されている（特許文献１参照。）。

この燃料電池は、セパレータ間に設けられたブリッジ部に、焼き付けや射出成形などにより一体化されたエチレンプロピレンジエンゴムやアクリロニトリルブタジエンゴムなどからなる各種シールが設けられている。

日本国特開２０１３−９８１５５号公報

ところで、燃料電池の性能向上に対するさらなる要求に伴って、膜電極接合体や、ガス拡散層、フレームなどの部材が薄型化されてきており、単セルのセパレータ間隔もさらに小さくなっている。この場合、特許文献１に記載された燃料電池にあっては、セパレータ端部を各種シールで覆っているため、燃料電池のブリッジ部のガス流通部高さが低くなり、圧損増加が生じる可能性が高くなる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加の抑制を実現し得る燃料電池の単セル構造を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、フレームの所定の位置に凸形状部で形成されるガス流通部を設けることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の燃料電池の単セル構造は、フレーム付き膜電極接合体と、一対のセパレータと、ガス流路部と、マニホールド部と、突出部と、フレームの延出部と、ガス流通部とを備えるものである。ここで、フレーム付き膜電極接合体は、膜電極接合体と膜電極接合体を外周から支持するフレームとからなる。また、一対のセパレータは、フレーム付き膜電極接合体の両面に配置されている。さらに、ガス流路部は、セパレータと膜電極接合体との間に形成され、ガスが供給される。また、マニホールド部は、フレームとセパレータの積層方向に貫通する穴が形成されている。さらに、突出部は、一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータがフレーム付き膜電極接合体側に突出し、マニホールド部近傍でフレームを支持している。また、フレームの延出部は、突出部よりもマニホールド部側に延出している。さらに、ガス流通部は、フレームの延出部に形成されており、マニホールド部からガス流路部にガスを供給する。そして、ガス流通部は、フレームの延出部に設けられた凸形状部から形成されている。

本発明によれば、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加の抑制を実現し得る燃料電池の単セル構造を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。図３Ａは、燃料電池単セルを説明する斜視図であり、図３Ｂは、燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。図４は、燃料電池モジュールを構成する第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。図５は、第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。図６は、第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。図７は、第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明するさらに他の断面図である。図８は、燃料電池モジュールを構成する第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。図９は、第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。図１０は、第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。図１１は、第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明するさらに他の断面図である。図１２は、燃料電池モジュールを構成する第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。図１３は、第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。図１４は、第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。図１５は、燃料電池モジュールを構成する第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。図１６は、第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。図１７は、第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の単セル構造について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。さらに、図３Ａは、燃料電池単セルを説明する斜視図であり、図３Ｂは、燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。

図１〜図３に示すように、燃料電池スタックＦＳは、燃料電池単セルＣを複数積層して一体化した複数の燃料電池モジュールＭと、燃料電池モジュールＭ同士の間に介装されるシールプレートＰとを備えている。図示例の燃料電池単セルＣ及びシールプレートＰは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状の形状を有している。なお、図２には、２つの燃料電池モジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数の燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、燃料電池モジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂをそれぞれ配置し、燃料電池単セルＣの長辺側となる両面（図１及び図２中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあるとともに、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、図示しないボルトにより、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に示すようなケース一体型構造となり、各燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池単セル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。

図３に示すように、燃料電池単セルＣは、膜電極接合体１２と膜電極接合体１２を外周から支持するフレーム２０とからなるフレーム付き膜電極接合体１０と、フレーム付き膜電極接合体１０の両面に配置された一対のセパレータ３０，３０と、フレーム２０とセパレータ３０の積層方向に貫通する穴が形成されたマニホールド部Ｈ１〜Ｈ６とを備える。また、燃料電池単セルＣは、セパレータ３０と膜電極接合体１２との間に形成された、ガスが供給されるガス流路部Ｆを備える。

膜電極接合体１２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示は省略するが、固体高分子からなる電解質膜を一対の電極層（アノード、カソード）で挟持した構造を有している。この膜電極接合体１２は、その周囲に樹脂製のフレーム２０を有し、一体化されている。

各セパレータ３０は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えば、ステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。また、各セパレータ３０は、少なくとも膜電極接合体１２に対応する部分が断面凹凸形状に形成してある。さらに、各セパレータ３０は、膜電極接合体１２に凸部を接触させるとともに、凹部と膜電極接合体１２との間にガス流路部Ｆを形成する。

燃料電池単セルＣは、図３に示すように、短辺両側に、各々三個ずつのマニホールド部Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が配列してある。これらのマニホールド部Ｈ１〜Ｈ６は、膜電極接合体１２のフレーム２０や各セパレータ３０の同じ位置にそれぞれフレームマニホールド部ＦＨ１〜ＦＨ６、セパレータマニホールド部ＳＨ１〜ＳＨ６のように形成してあり、燃料電池単セルＣを構成した際に互いに連通する。

図３の左側に示す各マニホールド部Ｈ１〜Ｈ３は、上側から、カソードガス排出用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）及びアノードガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通してそれぞれの流路を形成する。また、図３の右側に示す各マニホールド部Ｈ４〜Ｈ６は、上側から、アノードガス排出用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）及びカソードガス供給用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通してそれぞれの流路を形成する。なお、各マニホールド部Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であってもよい。

上記の燃料電池単セルＣは、所定枚数を積層して燃料電池モジュールＭを形成する。このとき、隣接する燃料電池単セルＣ同士の間には、冷却液（例えば水）の流路を形成し、隣接する燃料電池モジュールＭ同士の間にも冷却液の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、燃料電池モジュールＭ同士の間、すなわち冷却液の流路内に配置されている。シールプレートＰは、上記した燃料電池単セルＣとは別体にして形成してあり、燃料電池単セルＣと同様のマニホールド部Ｈ１〜Ｈ６が形成してある。

図４は、燃料電池モジュールを構成する第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。つまり、図４は、図３に示した燃料電池単セルのＺ線で囲んだ部分の平面図である。但し、上側のセパレータは記載を省略している。また、下側のセパレータは破線にて示している。また、図５は、第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。つまり、図５は、図４に示した燃料電池単セルのＶ−Ｖ線に沿った断面図である。但し、燃料電池単セルが２枚積層された状態を示している。さらに、図６は、第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。つまり、図６は、図４に示した燃料電池単セルのＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。また、図７は、図４に示した第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明するさらに他の断面図である。つまり、図７は、図４に示した燃料電池単セルのＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。なお、上記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４〜図７に示すように、一対のセパレータ３０，３０は、フレーム付き膜電極接合体１０の側に突出し、かつ、マニホールド部Ｈ３近傍でフレーム２０を支持する突出部３１を備える。また、フレーム２０は、突出部３１よりもマニホールド部Ｈ３側に延出する延出部２１を備える。さらに、燃料電池単セルＣは、マニホールド部Ｈ３からガス流路部にガスを供給するガス流通部Ｇを備える。そして、ガス流通部Ｇは、延出部２１に設けられた凸形状部２２から形成されている。

本実施形態においては、凸形状部２２は、一対のセパレータ３０，３０の一方の側に突出したものである。なお、図示した凸形状部２２は、平面形状が略円形である。このような凸形状部２２は、例えば、エンボス加工により形成することができる。この場合、凸形状部２２は、一対のセパレータ３０，３０の他方の側に窪んだ形状を有する。また、凸形状部２２は、一対のセパレータ３０，３０の一方のセパレータと接触している。さらに、凸形状部２２は、突出部３１に対して、ガス流れ方向に沿った直線上に設けられている。

また、フレームマニホールド部ＦＨ３（Ｈ３）の開口端面２０ａは、セパレータマニホールド部ＳＨ３（Ｈ３）の開口端面３０ａよりセパレータマニホールド部ＳＨ３（Ｈ３）側に突出させて設けられている。

なお、図中の矢印Ｙは、ガス流れ方向を示し、セパレータ３０とフレーム２０との間は、シール部材４０により一部でシールされている。また、マニホールド部Ｈ３から供給されるアノードガスは、図７に示すように凸形状部２２の間に形成されたガス流通部Ｇを流通し、さらに、図６に示すように、フレーム２０と下側のセパレータ３０との間に形成されたガス流路を流通する。

本実施形態においては、ガス流通部が延出部に設けられた凸形状部から形成されている構成とした。そのため、フレームが変形した場合であっても、ガス流路を確保することができる。その結果、フレームの変形の有無にかかわらず、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加を抑制することができる。

そして、本実施形態においては、凸形状部が突出部に対してガス流れ方向に沿った直線上に設けられている構成とした。そのため、凸形状部と突出部とが直線上に設けられていない場合と比較して、圧損が少ないガス流路を確保することができる。その結果、フレームの変形の有無にかかわらず、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加を抑制することができる。また、生成水の排出が容易になるという利点もある。

また、本実施形態においては、凸形状部が一対のセパレータの一方のセパレータと接触している構成とした。そのため、凸形状部が一対のセパレータのいずれとも接触していない場合と比較してフレームの変形を抑制することができる。その結果、フレームの変形の有無にかかわらず、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加を抑制することができる。

さらに、本実施形態においては、フレームマニホールド開口端面がセパレータマニホールド開口端面よりセパレータマニホールド部側に突出させて設けられた構成とした。その結果、フレームの変形の有無にかかわらず、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、セパレータ間短絡を抑制することができる。

また、本実施形態においては、凸形状部の平面形状が略円形である。そのため、燃料電池単セルの組立の際に位置合わせが多少ずれた場合であっても、ガス流路を確保し易いという利点がある。また、開口端面に近い位置に折れ曲がり部を有するため、フレームが変形し難く、ガス流路を確保し易いという利点もある。

（第２の実施形態）
図８は、燃料電池モジュールを構成する第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。つまり、図８は、燃料電池単セルの図３に示したＺ線で囲んだ部分と同じ部分の平面図である。但し、上側のセパレータは記載を省略している。また、下側のセパレータは破線にて示している。また、図９は、第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。つまり、図９は、図８に示した燃料電池単セルのＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。但し、燃料電池単セルが２枚積層された状態を示している。さらに、図１０は、第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。つまり、図１０は、図８に示した燃料電池単セルのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。また、図１１は、図８に示した第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明するさらに他の断面図である。つまり、図１１は、図８に示した燃料電池単セルのＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。なお、上記の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８〜図１１に示すように、本実施形態においては、凸形状部２２がガスの流れ方向Ｙに沿って直線状の形状を有していることが、第１の実施形態と相違している。つまり、図示した凸形状部２２は、平面形状がガス流れ方向に長辺を有し、その端部が開口端面に達した略矩形である。このような凸形状部２２も、例えば、エンボス加工により形成することができる。この場合も、凸形状部２２は、一対のセパレータ３０，３０の他方の側に窪んだ形状を有する。

また、本実施形態においては、凸形状部がガスの流れ方向に沿って直線状の形状を有している。具体的には、凸形状部の平面形状がガス流れ方向に長辺を有し、その端部が開口端面に達した略矩形である。そのため、フレームが変形し難く、ガス流路を確保し易いという利点がある。さらに、ガス流れを整流にし易いという利点もある。その結果、フレームの変形の有無にかかわらず、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加を抑制することができる。

（第３の実施形態）
図１２は、燃料電池モジュールを構成する第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。つまり、図１２は、燃料電池単セルの図３に示したＺ線で囲んだ部分と同じ部分の平面図である。但し、上側のセパレータは記載を省略している。また、下側のセパレータは破線にて示している。また、図１３は、第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。つまり、図１３は、図１２に示した燃料電池単セルのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。但し、燃料電池単セルが２枚積層された状態を示している。さらに、図１４は、第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。つまり、図１４は、図１２に示した燃料電池単セルのＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面図である。なお、図１２に示した燃料電池のＶ−Ｖ線に沿った断面図は、図５と同一である。なお、上記の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〜図１４に示すように、本実施形態においては、凸形状部２２が一対のセパレータ３０，３０の双方と接触していることが、第１の実施形態と相違している。

また、本実施形態においては、凸形状部が一対のセパレータの双方のセパレータと接触している構成とした。そのため、凸形状部が一対のセパレータの一方と接触している場合と比較してフレームの変形を抑制することができる。その結果、フレームの変形の有無にかかわらず、単セルのセパレータ間隔が小さい場合であっても、圧損増加を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図１５は、燃料電池モジュールを構成する第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する平面図である。つまり、図１５は、燃料電池単セルの図３に示したＺ線で囲んだ部分と同じ部分の平面図である。但し、上側のセパレータは記載を省略している。また、下側のセパレータは破線にて示している。また、図１６は、第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する断面図である。つまり、図１６は、図１５に示した燃料電池単セルのＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面図である。但し、燃料電池単セルが２枚積層された状態を示している。さらに、図１７は、第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する他の断面図である。つまり、図１７は、図１５に示した燃料電池単セルのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った断面図である。なお、図１７に示した燃料電池のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図は、図９と同一である。なお、上記の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１５〜図１７に示すように、本実施形態においては、凸形状部２２が一対のセパレータ３０，３０の双方と接触していることが、第２の実施形態と相違している。

以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、フレームの所定の位置に凸形状部で形成されるガス流通部を設ける位置として、アノードガスが供給される部位を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。つまり、アノードガスが供給される部位に替えて又は追加してカソードガスが供給される部位に適用することも可能である。また、これらに追加して、アノードガスが排出される部位やカソードガスが排出される部位に適用することも可能である。

ＦＳ燃料電池スタック
Ｃ燃料電池単セル
Ｍ燃料電池モジュール
Ｐシールプレート
Ｆガス流路部
Ｇガス流通部
Ｈ１〜Ｈ６マニホールド部
ＦＨ１〜ＦＨ６フレームマニホールド部
ＳＨ１〜ＳＨ６セパレータマニホールド部
１０フレーム付き膜電極接合体
１２膜電極接合体
２０フレーム
２０ａ開口端面
２１延出部
２２凸形状部
３０セパレータ
３０ａ開口端面
３１突出部
４０シール部材
５６Ａ，５６Ｂエンドプレート
５７Ａ，５７Ｂ締結板
５８Ａ，５８Ｂ補強板

Claims

膜電極接合体と前記膜電極接合体を外周から支持するフレームとからなるフレーム付き膜電極接合体と、
前記フレーム付き膜電極接合体の両面に配置された一対のセパレータと、
前記セパレータと前記膜電極接合体との間に形成された、ガスが供給されるガス流路部と、
前記フレームと前記セパレータの積層方向に貫通する穴が形成されたマニホールド部と、
前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータが前記フレーム付き膜電極接合体側に突出し、前記マニホールド部近傍で前記フレームを支持する突出部と、
前記突出部よりも前記マニホールド部側に延出する前記フレームの延出部と、
前記延出部に形成された、前記マニホールド部から前記ガス流路部に前記ガスを供給するガス流通部と、を備え、
前記ガス流通部が、前記延出部に設けられた凸形状部から形成されている
ことを特徴とする燃料電池の単セル構造。
前記凸形状部が、前記ガスの流れ方向に沿って直線状の形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の単セル構造。
前記凸形状部が、前記突出部に対して、前記ガスの流れ方向に沿った直線上に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の単セル構造。
前記凸形状部が、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータと接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池の単セル構造。