JP7396069B2 - 燃料電池のセルスタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセルスタックに関する。

特許文献１に示されるように、燃料電池のセルスタックは、燃料電池セルをその厚さ方向に積層することによって形成されている。こうした燃料電池セルは、シート状の膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas-diffusion Assembly）の周縁部に接合された樹脂プレートを備えている。この樹脂プレートの縁には、隣り合う燃料電池セルの樹脂プレート同士を接合してシールを行うシール部が形成されている。そして、所定のシール部を隣のシール部に対し接着剤で接合することにより、隣り合う燃料電池セルの樹脂プレート同士が接合される。更に、隣同士のシール部の上記接合により、隣り合う燃料電池セル同士の間、より詳しくは樹脂プレート同士の間への水分等の侵入が抑制される。

特表２０１５－５１０２１８号公報

ところで、上述した燃料電池のセルスタックでは、隣同士のシール部が接着剤で接着されており、それらシール部の外面であってシール部と接着剤との境界部分には、シール部と接着剤との材質の違いによる親水性や撥水性の違いに起因して水分が滞りやすくなる。そして、互いに接合された隣同士のシール部の外面におけるシール部と接着剤との境界部分に水が溜まり、その溜まった水の凍結がセルスタックの機能に影響を及ぼすおそれがある。

本発明の目的は、互いに接合された隣同士のシール部の外面における境界部分に水が溜まることを抑制できる燃料電池のセルスタックを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池のセルスタックは、シート状の膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接合された樹脂プレートを有する燃料電池セルが厚さ方向に積層されている。上記樹脂プレートの縁には、隣り合う燃料電池セルの樹脂プレート同士を接合してシールを行うシール部が形成されている。隣り合う燃料電池セルにおける樹脂プレートのシール部にはそれぞれ凸部及び凹部が形成されている。そして、シール部とその隣に位置するシール部とは、上記凸部と上記凹部との嵌め合いを通じて互いに接合されている。

この構成によれば、隣同士のシール部が凸部と凹部との嵌め合いを通じて互いに接合されているため、それらシール部同士の間に接合のための接着剤等のシール部とは材質の異なるものが設けられることはない。従って、それらシール部の外面であってシール部同士の間の境界部分に、材質の違いによる親水性や撥水性の違いが生じることはなく、そうした違いに起因して水分が滞りやすくなるということもない。このため、互いに接合された隣同士のシール部の外面における境界部分に、水が溜まることを抑制できるようになる。

燃料電池セルを示す正面図。 燃料電池セルを示す分解斜視図。 燃料電池セルの樹脂プレート及びセパレータを図１の矢印Ａ－Ａ方向から見た状態を示す断面図。

以下、燃料電池のセルスタックの一実施形態について、図１～図３を参照して説明する。
図１及び図２はそれぞれ、燃料電池セル１を正面から見た状態、及び、同燃料電池セル１を分解した状態を示している。これらの図から分かるように、燃料電池セル１は長方形の板状に形成されている。燃料電池セル１は、シート状をなす膜電極ガス拡散層接合体２と、その膜電極ガス拡散層接合体２の周縁部に接合されている四角枠状をなす樹脂プレート３と、それら膜電極ガス拡散層接合体２及び樹脂プレート３を厚さ方向に挟む導電性を有する板状の一対のセパレータ４，５と、を備えている。

そして、燃料電池のセルスタックは、複数の燃料電池セル１をその厚さ方向に積層することによって形成されている。また、燃料電池のセルスタックは、例えば燃料電池セル１における長辺が水平方向に延びるように、且つ短辺が鉛直方向に延びるように設置される。

燃料電池セル１の樹脂プレート３及び一対のセパレータ４，５には、燃料ガス（水素等）及び酸化ガス（空気等）を、セルスタックに流入させたり同セルスタックから流出させたりする孔６～１１が形成されている。孔６～１１は、燃料電池セル１の長手方向両端部に位置しており、且つ、内形が長方形状となっている。なお、孔６～１１は、その内形の長辺が水平方向に延びるように、且つ、短辺が鉛直方向に延びるように形成されている。

そして、燃料電池のセルスタックに流入した燃料ガスは膜電極ガス拡散層接合体２のアノード側に供給される一方、セルスタックに流入した酸化ガスは膜電極ガス拡散層接合体２のカソード側に供給され、それら燃料ガスと酸化ガスとの膜電極ガス拡散層接合体２での反応に基づき発電が行われる。なお、膜電極ガス拡散層接合体２を通過した燃料ガス及び酸化ガスは、上述したようにセルスタックから流出する。

図３は、樹脂プレート３及びセパレータ４，５を図１の矢印Ａ－Ａ方向から見た状態を示している。図３から分かるように、厚さ方向（図３の上下方向）に積層された燃料電池セル１の各樹脂プレート３の縁、詳しくは孔８に露出する縁には、シール部１２が形成されている。シール部１２は、孔８における長方形状の内形に沿って、その内形の水平方向に延びる長辺の全体、及び、鉛直方向に延びる短辺の全体に対応して位置している。なお、樹脂プレート３における孔６，７，９～１１に露出する縁も、上記孔８に露出する縁と同じ構造となっているため、以下では上記孔８に露出する縁について詳しく説明する。

シール部１２は、厚さ方向に積層された燃料電池セル１の樹脂プレート３同士を接合してシールを行うものである。シール部１２には、上記接合に用いられる凸部１３及び凹部１４が形成されている。詳しくは、シール部１２における樹脂プレート３の厚さ方向の一方側（この例では図３の上側）には、その一方側の隣に位置する樹脂プレート３のシール部１２に向けて突出する上記凸部１３が形成されている。また、シール部１２における樹脂プレート３の厚さ方向の他方側（図３の下側）には、上記凸部１３の突出方向と同じ方向にへこむ上記凹部１４が形成されている。

所定のシール部１２に形成された凸部１３は、その凸部１３の突出方向側に位置する隣のシール部１２に形成された凹部１４に嵌め込まれている。こうした凸部１３と凹部１４との嵌め合いを通じて、所定のシール部１２と、その隣に位置するシール部１２とは互いに接合されている。また、各シール部１２は、所定のシール部１２とその隣に位置するシール部１２とにおける孔８内に露出する面１２ａが同一面上で連なるように位置している。すなわち、そうなるよう各シール部１２が形成されている。

また、シール部１２は、セパレータ４，５における孔８に対応する縁に対し厚さ方向に当接することにより、セパレータ４，５を支持する支持部１５を備えている。そして、所定のシール部１２とその隣に位置するシール部１２とは、それぞれの支持部１５により、セパレータ４，５における孔６内に対応する縁を厚さ方向に挟み込んでいる。

次に、本実施形態における燃料電池のセルスタックの作用について説明する。
燃料電池のセルスタックにおいては、燃料電池セル１の膜電極ガス拡散層接合体２に対し給排される燃料ガスや酸化ガスといった流体に水分が含まれており、そうした水分が上記流体を流すための孔６～１１の内部を同流体と共に通過する。孔６～１１内には、樹脂プレート３における孔６～１１内に露出する縁に形成されているシール部１２が位置している。

ここで、隣り合うシール部１２同士が仮に接着剤による接着を通じて互いに接合されていたとすると、それらシール部１２の孔６～１１内に露出する面１２ａであってシール部１２と接着剤との境界部分には、シール部と接着剤との材質の違いによる親水性や撥水性の違いに起因して水分が滞りやすくなる。そして、接着剤による接着を通じて互いに接合された隣同士のシール部１２の孔６～１１内に露出する面１２ａであって、同面のシール部１２と接着剤との境界部分に溜まった水が凍結すると、それが燃料電池のセルスタックの機能に影響を及ぼすおそれがある。

しかし、本実施形態における燃料電池のセルスタックでは、隣り合う樹脂プレート３における隣同士のシール部１２が、凸部１３と凹部１４との嵌め合いを通じて互いに接合されているため、互いに接合された隣同士のシール部１２の間に接合のための接着剤等のシール部１２とは異なる材質のものが設けられることはない。従って、隣り合うシール部１２における孔６～１１内に露出している面１２ａの境界部分に、材質の違いによる親水性や撥水性の違いが生じることはなく、そうした違いに起因して水分が付着して滞りやすくなるということもない。このため、互いに接合された隣同士のシール部１２における孔６～１１内に露出している面１２ａの境界部分に水が溜まることを抑制でき、ひいてはその水が凍結することを抑制できるようになる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）互いに接合された隣同士のシール部１２における孔６～１１内に露出している面１２ａの境界部分に、孔６～１１の内部を燃料ガスや酸化ガスといった流体と共に通過する水分が付着して滞ることを抑制できる。

（２）孔６～１１内に位置する互いに接合された隣同士のシール部１２における孔６～１１内に露出している面１２ａが、同一面上で連なるように位置しているため、その面の境界部分に水の滞りが生じにくくなる。

（３）樹脂プレート３のシール部１２は、燃料電池セル１のセパレータ４，５における孔６～１１に対応する縁に対し、厚さ方向に当接することにより同セパレータ４，５を支持する支持部１５を備えている。そして、セパレータ４，５における孔６～１１に対応する縁は、シール部１２（樹脂プレート３）の支持部１５により支持される。これにより、セパレータ４，５における孔６～１１に対応する縁が、樹脂プレート３の厚さ方向に変位することは抑制されるようになる。

（４）更に、セパレータ４，５における孔６～１１に対応する縁は、隣同士のシール部１２の支持部１５によって厚さ方向に挟まれる。このため、セパレータ４，５における孔６～１１に対応する縁が、樹脂プレート３の厚さ方向に変位することは、より一層効果的に抑制されるようになる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・樹脂プレート３におけるシール部１２の支持部１５は、必ずしも隣のシール部１２の支持部１５との間でセパレータ４，５の縁を厚さ方向に挟むものである必要はなく、そのように挟むことなくセパレータ４，５の縁に対し厚さ方向に当接して支持するものであってもよい。

・必ずしも支持部１５をシール部１２に形成する必要はない。
・所定のシール部１２とその隣に位置するシール部１２とにおける孔６～１１内に露出する面１２ａは、必ずしも同一面上に位置している必要はない。

・シール部１２において、孔６～１１における長方形状の内形の水平方向に延びる上下の長辺に対応する部分のうち、上側の長辺に対応する部分については、必ずしも凸部１３と凹部１４との嵌め合いによる接合が行われている必要はない。

・樹脂プレート３の縁としては、孔６～１１内に露出する縁だけでなく同樹脂プレート３の外縁もあり、その外縁にシール部１２が設けられていてもよい。この場合、隣同士のシール部１２の間に接合のための接着剤等のシール部１２とは材質の異なるものが設けられることはなくなる。このため、それらシール部１２の外面、言い換えれば燃料電池セル１の外面であってシール部１２同士の間の境界部分に、材質の違いによる親水性や撥水性の違いが生じることはなく、そうした違いに起因して水分が滞りやすくなるということもなくなる。

１…燃料電池セル
２…膜電極ガス拡散層接合体
３…樹脂プレート
４，５…セパレータ
６～１１…孔
１２…シール部
１２ａ…面
１３…凸部
１４…凹部
１５…支持部

Claims (4)

1. シート状の膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接合された樹脂プレートを有する燃料電池セルが厚さ方向に積層されており、前記樹脂プレートの縁には隣り合う前記燃料電池セルの樹脂プレート同士を接合してシールを行うシール部が形成されている燃料電池のセルスタックにおいて、
   前記燃料電池セルには、前記膜電極ガス拡散層接合体に対し給排される流体を流すための孔が、前記樹脂プレートを厚さ方向に貫通するよう形成されており、
   前記シール部は、前記樹脂プレートにおける前記孔内に露出する縁に形成されており、
   前記厚さ方向における前記シール部の一方側には、前記厚さ方向に突出する凸部が設けられ、
   前記厚さ方向における前記シール部の他方側には、前記厚さ方向にへこむ凹部が設けられ、
   前記シール部とその隣に位置するシール部とは、前記凸部と前記凹部との嵌め合いを通じて互いに接合されていることを特徴とする燃料電池のセルスタック。
2. 前記シール部とその隣に位置するシール部とにおける前記孔内に露出する面が、同一面上で連なるように位置している請求項１に記載の燃料電池のセルスタック。
3. 前記燃料電池セルは、前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記樹脂プレートを厚さ方向に挟む一対のセパレータを有しており、
   前記孔は、前記一対のセパレータも厚さ方向に貫通しており、
   前記シール部は、前記セパレータにおける前記孔に対応する縁に対し厚さ方向に当接することにより同セパレータを支持する支持部を備えている請求項１又は２に記載の燃料電池のセルスタック。
4. 前記シール部とその隣に位置するシール部とは、それぞれの支持部により、前記セパレータにおける前記孔内に対応する縁を厚さ方向に挟み込むものである請求項３に記載の燃料電池のセルスタック。