JP7226392B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本開示は、燃料電池スタックに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池スタックに関して種々の研究がなされている。
燃料電池スタックにおいては一般的に、単セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔、所謂、マニホールドを採用している。このようなマニホールド型燃料電池スタックでは、特に反応ガス出口マニホールド（出口側反応ガス連通孔）に、発電反応により生成された生成水が滞留した場合、ガスの掃気時に生成水が単セルに逆流すること、及び、氷点下時に生成水が凍結し燃料電池スタックの暖機が長時間化すること等の虞があり、滞留水の低減が必要である。
例えば特許文献１では、結露水を反応ガス連通孔に沿って、直接、重力方向に確実に落下させることができ、発電セル間の液絡の発生を可及的に阻止することを可能にする燃料電池スタックが開示されている。
燃料電池スタックにおいては一般的に、単セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔、所謂、マニホールドを採用している。このようなマニホールド型燃料電池スタックでは、特に反応ガス出口マニホールド（出口側反応ガス連通孔）に、発電反応により生成された生成水が滞留した場合、ガスの掃気時に生成水が単セルに逆流すること、及び、氷点下時に生成水が凍結し燃料電池スタックの暖機が長時間化すること等の虞があり、滞留水の低減が必要である。
例えば特許文献１では、結露水を反応ガス連通孔に沿って、直接、重力方向に確実に落下させることができ、発電セル間の液絡の発生を可及的に阻止することを可能にする燃料電池スタックが開示されている。
また、特許文献２では、作業の煩雑さを低減可能な燃料電池単セルが開示されている。
また、特許文献３では、セル内カソード面側で発生する水分がガスケット装着溝に貯留するのを抑制することができ、もってこの水分の貯留を原因として電気の発生効率が低下するのを抑えることができる燃料電池用ガスケットが開示されている。
上記特許文献１に記載の技術では、ガスの掃気による送風および重力により滞留水を落下させることができたとしても、表面張力によって滞留水が残水する虞がある。また、スタックの積層方向が重力方向とずれたときに、滞留水を十分に落下させることができない虞がある。
また、特許文献２に記載の樹脂シートは、マニホールド側への突出部を有するものの排水孔はない。そのため、特許文献２に記載の燃料電池単セルでは、マニホールド付近で液水が滞留しやすい。
そして、マニホールド内に液水が残留すると、ガスの掃気時の送風量低減による掃気時間が長時間化すること、及び、氷点下時の滞留水凍結による燃料電池スタックの暖機が長時間化すること等の問題が発生する。
また、特許文献２に記載の樹脂シートは、マニホールド側への突出部を有するものの排水孔はない。そのため、特許文献２に記載の燃料電池単セルでは、マニホールド付近で液水が滞留しやすい。
そして、マニホールド内に液水が残留すると、ガスの掃気時の送風量低減による掃気時間が長時間化すること、及び、氷点下時の滞留水凍結による燃料電池スタックの暖機が長時間化すること等の問題が発生する。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、マニホールド内の液水の残留量を低減し、ガスの掃気時の送風量低減による掃気時間の長時間化の抑制、及び、氷点下時の滞留水凍結による燃料電池スタックの暖機の長時間化の抑制等が可能となる燃料電池スタックを提供することを主目的とする。
本開示においては、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する２枚のセパレータと、２枚の当該セパレータの間、且つ、当該膜電極接合体の周囲に配置され当該セパレータ同士を接着させる枠状の樹脂シートと、を備える単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記樹脂シートは、前記セパレータの各前記反応ガス供給孔及び各前記反応ガス排出孔と連通するように位置合わせされて配置された、反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記燃料電池スタックは、互いに隣接する各単セルの各セパレータの間、且つ、前記反応ガス入口マニホールドの周縁部、及び、前記反応ガス出口マニホールドの周縁部の各周縁部にガスケットを有し、
前記樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有し、
前記樹脂シートは、前記第１の突出部及び前記第２の突出部からなる群より選ばれる少なくとも一種の突出部の所定の位置に少なくとも１つの排水孔を備えることを特徴とする燃料電池スタックを提供する。
前記セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記樹脂シートは、前記セパレータの各前記反応ガス供給孔及び各前記反応ガス排出孔と連通するように位置合わせされて配置された、反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記燃料電池スタックは、互いに隣接する各単セルの各セパレータの間、且つ、前記反応ガス入口マニホールドの周縁部、及び、前記反応ガス出口マニホールドの周縁部の各周縁部にガスケットを有し、
前記樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有し、
前記樹脂シートは、前記第１の突出部及び前記第２の突出部からなる群より選ばれる少なくとも一種の突出部の所定の位置に少なくとも１つの排水孔を備えることを特徴とする燃料電池スタックを提供する。
本開示の燃料電池スタックにおいて、前記ガスケットは、前記単セルを平行に積層するための定寸部を有し、
前記ガスケットは、前記定寸部が前記樹脂シートの前記突出部に位置合わせするように延伸された延伸部を有してもよい。
前記ガスケットは、前記定寸部が前記樹脂シートの前記突出部に位置合わせするように延伸された延伸部を有してもよい。
本開示によれば、マニホールド内の液水の残留量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ができる。
本開示においては、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する２枚のセパレータと、２枚の当該セパレータの間、且つ、当該膜電極接合体の周囲に配置され当該セパレータ同士を接着させる枠状の樹脂シートと、を備える単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記樹脂シートは、前記セパレータの各前記反応ガス供給孔及び各前記反応ガス排出孔と連通するように位置合わせされて配置された、反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記燃料電池スタックは、互いに隣接する各単セルの各セパレータの間、且つ、前記反応ガス入口マニホールドの周縁部、及び、前記反応ガス出口マニホールドの周縁部の各周縁部にガスケットを有し、
前記樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有し、
前記樹脂シートは、前記第１の突出部及び前記第２の突出部からなる群より選ばれる少なくとも一種の突出部の所定の位置に少なくとも１つの排水孔を備えることを特徴とする燃料電池スタックを提供する。
前記セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記樹脂シートは、前記セパレータの各前記反応ガス供給孔及び各前記反応ガス排出孔と連通するように位置合わせされて配置された、反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記燃料電池スタックは、互いに隣接する各単セルの各セパレータの間、且つ、前記反応ガス入口マニホールドの周縁部、及び、前記反応ガス出口マニホールドの周縁部の各周縁部にガスケットを有し、
前記樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有し、
前記樹脂シートは、前記第１の突出部及び前記第２の突出部からなる群より選ばれる少なくとも一種の突出部の所定の位置に少なくとも１つの排水孔を備えることを特徴とする燃料電池スタックを提供する。
氷点下環境において車両停止時に、液水を排水するためにガスの掃気処理を実施する必要がある。液水は、毛管力により、単セル間のガスケット近辺の空間に滞留する場合がある。そして、ガスの掃気処理終了後に、ガスケット近辺の空間に滞留していた液水がガスケット近辺の空間からマニホールド内に押し出されてマニホールド内で液ダレが発生する場合がある。
液ダレした液水が、セパレータのガス流路、及び、排気排水弁等に移動し、当該液ダレした液水が、車両停止中に凍結すると、車両の氷点下始動が困難となるという問題がある。
ガスの掃気流量を少なくし、マニホールド内の圧力とガスケット近辺の空間の圧力が等しくなるようにすることで上記問題を防ぐことができるが、ガスの掃気時間は長くする必要があるという問題がある。
液ダレした液水が、セパレータのガス流路、及び、排気排水弁等に移動し、当該液ダレした液水が、車両停止中に凍結すると、車両の氷点下始動が困難となるという問題がある。
ガスの掃気流量を少なくし、マニホールド内の圧力とガスケット近辺の空間の圧力が等しくなるようにすることで上記問題を防ぐことができるが、ガスの掃気時間は長くする必要があるという問題がある。
ここで、マニホールド内に液水の液だれが発生する原因は、具体的には、以下の理由によると考えられる。
（１）スタックの発電時は、液水の一部が、毛管力で、各単セル間のガスケット近辺（マニホールド周縁部）の空間に移動し徐々に、ガスケット近辺の空間に液水が溜まる。
（２）ガスの掃気前は、マニホールド内の圧力Ｐ１とガスケット近辺の空間（液水が満たされていない空間）の圧力Ｐ２は等しい（Ｐ１＝Ｐ２）。
（３）ガスの掃気前半は、ガスの掃気でマニホールド内の圧力がＰ１からＰ１＋に増加し、マニホールド内の圧力Ｐ１＋は、ガスケット横の圧力Ｐ２よりも大きくなる（Ｐ１＋＞Ｐ２）。
（４）ガスの掃気後半は、ガスが圧縮されてガスケット近辺の空間の圧力Ｐ２が増加してＰ２＋となり、マニホールド内の圧力Ｐ１＋は、ガスケット近辺の空間の圧力Ｐ２＋と等しくなる（Ｐ１＋＝Ｐ２＋）。
（５）ガスの掃気終了後は、ガスの掃気終了によりマニホールド内の圧力がＰ１＋からＰ１－に低下し、マニホールド内の圧力Ｐ１－は、ガスケット近辺の空間の圧力Ｐ２＋よりも小さくなる（Ｐ１－＜Ｐ２＋）。これにより、ガスケット近辺の空間のガスが膨張しガスケット近辺の空間の液水が押し出されて液ダレが発生する。
（１）スタックの発電時は、液水の一部が、毛管力で、各単セル間のガスケット近辺（マニホールド周縁部）の空間に移動し徐々に、ガスケット近辺の空間に液水が溜まる。
（２）ガスの掃気前は、マニホールド内の圧力Ｐ１とガスケット近辺の空間（液水が満たされていない空間）の圧力Ｐ２は等しい（Ｐ１＝Ｐ２）。
（３）ガスの掃気前半は、ガスの掃気でマニホールド内の圧力がＰ１からＰ１＋に増加し、マニホールド内の圧力Ｐ１＋は、ガスケット横の圧力Ｐ２よりも大きくなる（Ｐ１＋＞Ｐ２）。
（４）ガスの掃気後半は、ガスが圧縮されてガスケット近辺の空間の圧力Ｐ２が増加してＰ２＋となり、マニホールド内の圧力Ｐ１＋は、ガスケット近辺の空間の圧力Ｐ２＋と等しくなる（Ｐ１＋＝Ｐ２＋）。
（５）ガスの掃気終了後は、ガスの掃気終了によりマニホールド内の圧力がＰ１＋からＰ１－に低下し、マニホールド内の圧力Ｐ１－は、ガスケット近辺の空間の圧力Ｐ２＋よりも小さくなる（Ｐ１－＜Ｐ２＋）。これにより、ガスケット近辺の空間のガスが膨張しガスケット近辺の空間の液水が押し出されて液ダレが発生する。
本研究者は、樹脂シートの突出部に排水孔を設けることで、マニホールド内の液水の残留量を低減することができることを見出した。
本開示の燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを複数積層して構成される。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する２枚のセパレータと、２枚の当該セパレータの間に配置され当該セパレータ同士を接着させる枠状の樹脂シートと、を備える。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する２枚のセパレータと、２枚の当該セパレータの間に配置され当該セパレータ同士を接着させる枠状の樹脂シートと、を備える。
一対の電極は、一方が酸化剤極であり、もう一方が燃料極である。
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有する。
反応ガス供給孔は、燃料ガス供給孔、及び、酸化剤ガス供給孔等が挙げられる。
反応ガス排出孔は、燃料ガス排出孔、及び、酸化剤ガス排出孔等が挙げられる。
セパレータは、冷媒を単セルの積層方向に流通させるための冷媒供給孔及び冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面にスタック温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
反応ガス供給孔は、燃料ガス供給孔、及び、酸化剤ガス供給孔等が挙げられる。
反応ガス排出孔は、燃料ガス排出孔、及び、酸化剤ガス排出孔等が挙げられる。
セパレータは、冷媒を単セルの積層方向に流通させるための冷媒供給孔及び冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面にスタック温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有する。
反応ガス入口マニホールドは、アノード入口マニホールド及びカソード入口マニホールド等が挙げられる。
反応ガス出口マニホールドは、アノード出口マニホールド及びカソード出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池スタックは、各冷媒供給孔が連通した冷媒入口マニホールド、及び、各冷媒排出孔が連通した冷媒出口マニホールドを有していてもよい。
反応ガス入口マニホールドは、アノード入口マニホールド及びカソード入口マニホールド等が挙げられる。
反応ガス出口マニホールドは、アノード出口マニホールド及びカソード出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池スタックは、各冷媒供給孔が連通した冷媒入口マニホールド、及び、各冷媒排出孔が連通した冷媒出口マニホールドを有していてもよい。
樹脂シートは、単セルの備える２枚のセパレータ（アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）の間、且つ、膜電極接合体の周囲に配置される枠状の樹脂部材である。
また、樹脂シートは、クロスリークや膜電極接合体の触媒層同士の電気的短絡を防ぐための樹脂部材である。
樹脂シートは、枠状の樹脂製のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つの接着層、即ち、第１接着層と第２接着層とを含んでいてもよい。
第１接着層及び第２接着層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられている。
樹脂シートは、膜電極接合体とはその平面からオフセットした位置で膜電極接合体と平行に延びている。枠状の樹脂シートの内側周縁部分と膜電極接合体の周縁領域との間には接着剤が配置され、両者を接着していてもよい。
また、樹脂シートは、クロスリークや膜電極接合体の触媒層同士の電気的短絡を防ぐための樹脂部材である。
樹脂シートは、枠状の樹脂製のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つの接着層、即ち、第１接着層と第２接着層とを含んでいてもよい。
第１接着層及び第２接着層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられている。
樹脂シートは、膜電極接合体とはその平面からオフセットした位置で膜電極接合体と平行に延びている。枠状の樹脂シートの内側周縁部分と膜電極接合体の周縁領域との間には接着剤が配置され、両者を接着していてもよい。
接着剤は、例えば熱硬化性樹脂であってもよく、紫外線硬化性樹脂であってもよい。接着剤の塗布前の状態は、例えば、ゲル状、ジェル状、クリーム状の何れであってもよい。
コア層は、単セルの製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されていてもよい。具体的には、コア層の材料は、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等である。
第１接着層及び第２接着層は、コア層とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１接着層及び第２接着層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第１接着層及び第２接着層は、コア層とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１接着層及び第２接着層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
樹脂シートにおいて、第１接着層及び第２接着層は、それぞれアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第１接着層は、カソード側セパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第２接着層は、アノード側セパレータと接着していてもよい。そして、樹脂シートは、一対のセパレータにより挟持される。
樹脂シートは、セパレータの各反応ガス供給孔及び各反応ガス排出孔と連通するように位置合わせされて配置された、反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有する。
樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有する。
樹脂シートの突出部の形状は特に限定されないが、樹脂シートは、通常、セパレータ同士の接触によるショートを避けるため、面方向にセパレータよりも少し長めに延伸させておいて、セパレータの長さのバラつきが生じた場合のセパレータ同士の接触によるショートを防ぐ。そのため、樹脂シートの突出部は、マニホールドの中心に向かって同心円状に延伸していてもよく、また、マニホールドの面積が小さくなるように延伸していてもよい。
樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有する。
樹脂シートの突出部の形状は特に限定されないが、樹脂シートは、通常、セパレータ同士の接触によるショートを避けるため、面方向にセパレータよりも少し長めに延伸させておいて、セパレータの長さのバラつきが生じた場合のセパレータ同士の接触によるショートを防ぐ。そのため、樹脂シートの突出部は、マニホールドの中心に向かって同心円状に延伸していてもよく、また、マニホールドの面積が小さくなるように延伸していてもよい。
樹脂シートは、第１の突出部及び第２の突出部からなる群より選ばれる少なくとも一種の突出部の所定の位置に少なくとも１つの排水孔を備えていればよい。生成水は主に反応ガス入口マニホールドよりも反応ガス出口マニホールドの方が多いため、反応ガス出口マニホールド側の突出部である第２の突出部の所定の位置に排水孔を備えていてもよく、第１の突出部及び第２の突出部の両方の突出部の所定の位置に排水孔を備えていてもよい。
排水孔の数は、特に限定されず、１つ以上有していればよく、所定の間隔を空けて複数個有していてもよい。
排水孔の位置は、特に限定されない。例えば、樹脂シートの膜電極接合体側にセパレータによる冷媒流路及び反応ガス流路が設けられている場合は、排水孔は、単セルの外周側に設置されていてもよく、膜電極接合体側にも設置されていてもよい。一方、樹脂シートの膜電極接合体側にセパレータによる冷媒流路及び反応ガス流路が設けられていない場合は、通常、膜電極接合体側から生成水が流れてくるため、排水孔は、膜電極接合体側に設置されていてもよい。
排水孔の数は、特に限定されず、１つ以上有していればよく、所定の間隔を空けて複数個有していてもよい。
排水孔の位置は、特に限定されない。例えば、樹脂シートの膜電極接合体側にセパレータによる冷媒流路及び反応ガス流路が設けられている場合は、排水孔は、単セルの外周側に設置されていてもよく、膜電極接合体側にも設置されていてもよい。一方、樹脂シートの膜電極接合体側にセパレータによる冷媒流路及び反応ガス流路が設けられていない場合は、通常、膜電極接合体側から生成水が流れてくるため、排水孔は、膜電極接合体側に設置されていてもよい。
燃料電池スタックは、互いに隣接する各単セルの各セパレータの間、且つ、前記反応ガス入口マニホールドの周縁部、及び、前記反応ガス出口マニホールドの周縁部の各周縁部にガスケットを有する。
ガスケットは、単セルを平行に積層するための定寸部を有していてもよい。
ガスケットは、定寸部が樹脂シートの突出部に位置合わせするように延伸された延伸部を有していてもよい。
延伸部は、樹脂シートの突出部の所定の位置に設けられた排水孔に位置合わせされた排水孔を備えていてもよい。
延伸部が備える排水孔の数は、突出部が備える排水孔の数と同じであってもよく、異なっていてもよいが、マニホールド内の液水の残留量を低減する観点から、同じであってもよい。
ガスケットは、単セルを平行に積層するための定寸部を有していてもよい。
ガスケットは、定寸部が樹脂シートの突出部に位置合わせするように延伸された延伸部を有していてもよい。
延伸部は、樹脂シートの突出部の所定の位置に設けられた排水孔に位置合わせされた排水孔を備えていてもよい。
延伸部が備える排水孔の数は、突出部が備える排水孔の数と同じであってもよく、異なっていてもよいが、マニホールド内の液水の残留量を低減する観点から、同じであってもよい。
図１を参照して、本開示の燃料電池の単セルの基本的な構造について説明する。
図１は単セル６０の分解斜視図である。燃料電池スタックは、単セル６０が複数個積層されることで構成される。この燃料電池スタックは、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。
単セル６０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を両側から挟むアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃとを含む。
膜電極接合体２０は、電極のアノード側とカソード側にそれぞれアノード側ガス拡散層２２ａとカソード側ガス拡散層２２ｃを有しているので膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）とも称される。
膜電極接合体２０の周縁領域には、形状が枠状であり、電気的な絶縁性を有し、シール機能を奏する樹脂シート（シール用接着積層体）４０が設けられている。
図１は単セル６０の分解斜視図である。燃料電池スタックは、単セル６０が複数個積層されることで構成される。この燃料電池スタックは、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。
単セル６０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を両側から挟むアノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃとを含む。
膜電極接合体２０は、電極のアノード側とカソード側にそれぞれアノード側ガス拡散層２２ａとカソード側ガス拡散層２２ｃを有しているので膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）とも称される。
膜電極接合体２０の周縁領域には、形状が枠状であり、電気的な絶縁性を有し、シール機能を奏する樹脂シート（シール用接着積層体）４０が設けられている。
アノード側セパレータ３３ａの２つの短辺の一方側には孔ａ１～ａ３が形成され、他方側には孔ａ４～ａ６が形成されている。同様に、カソード側セパレータ３３ｃの２つの短辺の一方側には孔ｃ１～ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４～ｃ６が形成されている。
樹脂シート４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１～ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４～ｓ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１及びｃ１は連通してカソード入口マニホールドを画定している。同様に、孔ａ２、ｓ２及びｃ２は冷媒出口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３及びｃ３はアノード出口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４及びｃ４はアノード入口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６及びｃ６はカソード出口マニホールドをそれぞれ画定している。
樹脂シート４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１～ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４～ｓ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１及びｃ１は連通してカソード入口マニホールドを画定している。同様に、孔ａ２、ｓ２及びｃ２は冷媒出口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３及びｃ３はアノード出口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４及びｃ４はアノード入口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６及びｃ６はカソード出口マニホールドをそれぞれ画定している。
膜電極接合体２０に対向するアノード側セパレータ３３ａの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。同様に、膜電極接合体２０に対向するカソード側セパレータ３３ｃの面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。アノード側セパレータ３３ａのアノード流路３４ａとは反対側の面、及びカソード側セパレータ３３ｃのカソード流路３４ｃとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路３５ａ及び３５ｃがそれぞれ形成されている。
図２は、本開示の燃料電池の単セルの反応ガス排出孔付近の一例を示す面方向の部分断面図である。
図２に示すように、燃料電池の単セル６０の反応ガス排出孔３６付近は、樹脂シート４０とセパレータ３３とガスケット５０がこの順に積層されている。樹脂シート４０は、面方向に突出し、反応ガス排出孔（反応ガス出口マニホールド）３６の占める第２の領域の一部を占める突出部４１を有する。突出部４１には、排水孔４２が設置されている。なお、ＭＥＡは便宜のためその記載を省略している。また、図２に示すガスケット５０は、延伸部を有さず、且つ、排水孔も有さない場合のガスケットの一例を示している。
図２に示すように、燃料電池の単セル６０の反応ガス排出孔３６付近は、樹脂シート４０とセパレータ３３とガスケット５０がこの順に積層されている。樹脂シート４０は、面方向に突出し、反応ガス排出孔（反応ガス出口マニホールド）３６の占める第２の領域の一部を占める突出部４１を有する。突出部４１には、排水孔４２が設置されている。なお、ＭＥＡは便宜のためその記載を省略している。また、図２に示すガスケット５０は、延伸部を有さず、且つ、排水孔も有さない場合のガスケットの一例を示している。
図３は、本開示の燃料電池スタックの反応ガス出口マニホールド付近の一例を示す積層方向の部分断面図である。
図３は、図２に示す単セルを有する燃料電池スタックの一例である。
図３に示すように、燃料電池スタック７０の反応ガス出口マニホールド３６付近は、アノード側セパレータ３３ａと樹脂シート４０とカソード側セパレータ３３ｃとガスケット５０がこの順に積層された単セル６０を複数個有している。樹脂シート４０は、面方向に突出し、反応ガス出口マニホールド３６の占める第２の領域の一部を占める突出部４１を有する。突出部４１には、排水孔４２が設置されている。なお、ＭＥＡは便宜のためその記載を省略している。また、図３に示すガスケット５０は、延伸部を有さず、且つ、排水孔も有さない場合のガスケットの一例を示している。
図３は、図２に示す単セルを有する燃料電池スタックの一例である。
図３に示すように、燃料電池スタック７０の反応ガス出口マニホールド３６付近は、アノード側セパレータ３３ａと樹脂シート４０とカソード側セパレータ３３ｃとガスケット５０がこの順に積層された単セル６０を複数個有している。樹脂シート４０は、面方向に突出し、反応ガス出口マニホールド３６の占める第２の領域の一部を占める突出部４１を有する。突出部４１には、排水孔４２が設置されている。なお、ＭＥＡは便宜のためその記載を省略している。また、図３に示すガスケット５０は、延伸部を有さず、且つ、排水孔も有さない場合のガスケットの一例を示している。
図４は、本開示に用いられるガスケットの反応ガス排出孔付近の当該ガスケットの一例を示す面方向の断面図である。
図４に示すように、ガスケット（定寸部）５０は、面方向に突出し、反応ガス排出孔（反応ガス出口マニホールド）３６の占める第２の領域の一部を占める延伸部５１を有する。延伸部５１には、排水孔５２が設置されている。したがって、図４は、延伸部を有し、且つ、排水孔を有する場合のガスケットの一例を示している。
図４に示すように、ガスケット（定寸部）５０は、面方向に突出し、反応ガス排出孔（反応ガス出口マニホールド）３６の占める第２の領域の一部を占める延伸部５１を有する。延伸部５１には、排水孔５２が設置されている。したがって、図４は、延伸部を有し、且つ、排水孔を有する場合のガスケットの一例を示している。
図５は、本開示の燃料電池スタックの反応ガス出口マニホールド付近の別の一例を示す積層方向の部分断面図である。
図５は、延伸部を有し、且つ、排水孔を有する場合のガスケットを有する燃料電池スタックの一例である。
図５に示すように、燃料電池スタック７０の反応ガス出口マニホールド３６付近は、アノード側セパレータ３３ａと樹脂シート４０とカソード側セパレータ３３ｃとガスケット５０がこの順に積層された単セルを複数個有している。樹脂シート４０は、面方向に突出し、反応ガス出口マニホールド３６の占める第２の領域の一部を占める突出部４１を有する。突出部４１には、排水孔４２が設置されている。また、ガスケット（定寸部）５０は、面方向に突出し、突出部４１に位置合わせされて配置された延伸部５１を有する。延伸部５１には、突出部４１の排水孔４２に位置合わせされて配置された排水孔５２が設置されている。なお、ＭＥＡは便宜のためその記載を省略している。
図５は、延伸部を有し、且つ、排水孔を有する場合のガスケットを有する燃料電池スタックの一例である。
図５に示すように、燃料電池スタック７０の反応ガス出口マニホールド３６付近は、アノード側セパレータ３３ａと樹脂シート４０とカソード側セパレータ３３ｃとガスケット５０がこの順に積層された単セルを複数個有している。樹脂シート４０は、面方向に突出し、反応ガス出口マニホールド３６の占める第２の領域の一部を占める突出部４１を有する。突出部４１には、排水孔４２が設置されている。また、ガスケット（定寸部）５０は、面方向に突出し、突出部４１に位置合わせされて配置された延伸部５１を有する。延伸部５１には、突出部４１の排水孔４２に位置合わせされて配置された排水孔５２が設置されている。なお、ＭＥＡは便宜のためその記載を省略している。
２０ 膜電極接合体
２２ａ アノード側ガス拡散層 ２２ｃ カソード側ガス拡散層
３３ セパレータ
３３ａ アノード側セパレータ ３３ｃ カソード側セパレータ
３４ａ アノード流路 ３４ｃ カソード流路
３５ａ，３５ｃ 冷媒流路
３６ 反応ガス排出孔（反応ガス出口マニホールド）
４０ 樹脂シート
４１ 突出部
４２ 排水孔
５０ ガスケット（定寸部）
５１ 延伸部
５２ 排水孔
６０ 単セル
７０ 燃料電池スタック
ａ１～ａ３，ａ４～ａ６ アノード側セパレータ３３ａの孔
ｃ１～ｃ３，ｃ４～ｃ６ カソード側セパレータ３３ｃの孔
ｓ１～ｓ３，ｓ４～ｓ６ 樹脂シート４０の孔
２２ａ アノード側ガス拡散層 ２２ｃ カソード側ガス拡散層
３３ セパレータ
３３ａ アノード側セパレータ ３３ｃ カソード側セパレータ
３４ａ アノード流路 ３４ｃ カソード流路
３５ａ，３５ｃ 冷媒流路
３６ 反応ガス排出孔（反応ガス出口マニホールド）
４０ 樹脂シート
４１ 突出部
４２ 排水孔
５０ ガスケット（定寸部）
５１ 延伸部
５２ 排水孔
６０ 単セル
７０ 燃料電池スタック
ａ１～ａ３，ａ４～ａ６ アノード側セパレータ３３ａの孔
ｃ１～ｃ３，ｃ４～ｃ６ カソード側セパレータ３３ｃの孔
ｓ１～ｓ３，ｓ４～ｓ６ 樹脂シート４０の孔
Claims (2)
- 電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する２枚のセパレータと、２枚の当該セパレータの間、且つ、当該膜電極接合体の周囲に配置され当該セパレータ同士を接着させる枠状の樹脂シートと、を備える単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記樹脂シートは、前記セパレータの各前記反応ガス供給孔及び各前記反応ガス排出孔と連通するように位置合わせされて配置された、反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記燃料電池スタックは、互いに隣接する各単セルの各セパレータの間、且つ、前記反応ガス入口マニホールドの周縁部、及び、前記反応ガス出口マニホールドの周縁部の各周縁部にガスケットを有し、
前記樹脂シートは、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス入口マニホールドが占める第１の領域の一部を占有する第１の突出部、及び、当該樹脂シートの面方向に突出し、前記反応ガス出口マニホールドが占める第２の領域の一部を占有する第２の突出部を有し、
前記樹脂シートは、前記第１の突出部及び前記第２の突出部からなる群より選ばれる少なくとも一種の突出部の所定の位置に少なくとも１つの排水孔を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記ガスケットは、前記単セルを平行に積層するための定寸部を有し、
前記ガスケットは、前記定寸部が前記樹脂シートの前記突出部に位置合わせするように延伸された延伸部を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
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