WO2017145436A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池スタック Download PDF

Info

Publication number
WO2017145436A1
WO2017145436A1 PCT/JP2016/080703 JP2016080703W WO2017145436A1 WO 2017145436 A1 WO2017145436 A1 WO 2017145436A1 JP 2016080703 W JP2016080703 W JP 2016080703W WO 2017145436 A1 WO2017145436 A1 WO 2017145436A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
frame
fuel cell
cell stack
protrusions
protruding portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/080703
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和弘 影山
佐藤　和之
Original Assignee
日産自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日産自動車株式会社 filed Critical 日産自動車株式会社
Priority to CA3015058A priority Critical patent/CA3015058C/en
Priority to JP2018500980A priority patent/JP6685512B2/ja
Priority to KR1020187025400A priority patent/KR102020165B1/ko
Priority to EP16891592.4A priority patent/EP3422447B1/en
Priority to CN201680082230.4A priority patent/CN108701844B/zh
Priority to US15/999,811 priority patent/US10658682B2/en
Publication of WO2017145436A1 publication Critical patent/WO2017145436A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack provided with a laminate formed by laminating a plurality of single cells.
  • Patent Document 1 As a conventional fuel cell stack, for example, there is one described in Patent Document 1.
  • the fuel cell stack described in Patent Document 1 has a stack cell structure in which a joined body in which a reinforcing frame is provided on the outer periphery of an electrolyte (electrolyte membrane) and a plurality of separators each having a gas flow path are stacked. Yes.
  • a separator is arranged in a reinforcing frame, and at this time, the separator and the reinforcing frame are arranged so that they do not interfere with each other, or the outer circumference of the separator is flush with the inner circumference of the reinforcing frame. ing.
  • the fuel cell stack described above is to maintain the power generation efficiency by preventing deformation of the electrolyte.
  • the stack in order to achieve waterproofness and airtightness of a single cell laminate, or protection of a single cell, etc., the stack is generally accommodated in a case.
  • a short circuit may occur due to contact between the separators constituting the single cell or contact between the separator and the case.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and in a fuel cell stack including a stacked body in which a plurality of single cells are stacked and a case for housing the stacked body, short-circuiting of the single cells is performed.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be prevented.
  • a fuel cell stack includes a single cell including a frame that holds an outer peripheral portion of a membrane electrode assembly, and a pair of separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly and the frame. Is a structure including a laminate formed by laminating a plurality of layers and a case for housing the laminate.
  • the frame has a protruding portion that protrudes outward from the outer peripheral end portion of the separator at the outer peripheral portion of the frame body, and the protruding portion is at least larger than the interval between the frame and the end portion of the separator. It has a large protruding length and can be bent with respect to the frame body.
  • the protruding portion of each frame is in a protruding state on the outer peripheral portion of each stacked single cell.
  • the protrusion has a protrusion length that is at least larger than the distance between the frame and the end of the separator. Therefore, when the protrusion is bent with respect to the frame body, the fuel cell stack is in a state where the protrusion covers the end face of one separator of its own single cell and the end face of at least one separator of the adjacent single cell. . Such a state is continuously obtained in the stacking direction at the arrangement positions of the protrusions in the stack. Further, when the laminated body is accommodated in the case, a protruding portion is interposed between the end faces of these separators and the case.
  • the fuel cell stack can prevent the short circuit of the single cell by preventing the contact between the separators constituting the single cell or the contact between the end face of the separator and the case by the protruding portion.
  • FIG. 1A and 1B are a perspective view and a perspective exploded view illustrating a first embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view (A) of a frame, a perspective view (B) of a laminated body, and a cross-sectional view (C) based on the line AA in FIG. B in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view (A) of a separator for explaining a second embodiment of a fuel cell stack according to the present invention, and a sectional view (B) based on the AA line in FIG.
  • FIG. 10 is a plan view (A) to (H) for explaining another eight examples of the protrusions.
  • FIG. 1 It is a top view of the flame
  • the top view (A) of the frame explaining the sixth embodiment of the fuel cell stack according to the present invention, the perspective view (B) of the laminate, the cross-sectional view (C) based on the AA line in FIG. 6 is a cross-sectional view (D) based on the line BB in B.
  • FIG. 9 A plan view (A) in which the upper and lower frames shown in FIG. 9 are overlapped, a cross-sectional view (B) based on the AA line in FIG. A, and a cross-sectional view (C) based on the BB line in FIG. ).
  • a stacked body A is configured by stacking a plurality of rectangular single cells C.
  • An end plate 56A is disposed at one end portion (right end portion in the drawing) of the laminate A via a current collector plate 54A and a spacer 55, and at the other end portion of the laminate A in the laminate direction.
  • the end plate 56B is disposed via the current collecting plate 54B.
  • the fuel cell stack FS has fastening plates 57A and 57B provided on both surfaces (upper and lower surfaces in FIG. 1) on the long side of the single cell C, and reinforcing plates 58A on both surfaces on the short side. , 58B are provided.
  • the fastening plates 57A and 57B and the reinforcing plates 58A and 58B are connected to both end plates 56A and 56B by bolts B.
  • the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 1B, and the stack A is restrained and pressed in the stacking direction so that a predetermined contact surface pressure is applied to each single cell C. In addition, gas sealability, conductivity, etc. are maintained well.
  • the fastening plates 57A and 57B and the reinforcing plates 58A and 58B correspond to the case 50 in which the stacked body A is accommodated.
  • the single cell C includes a frame 2 that holds the outer periphery of the membrane electrode assembly 1, and a pair of separators 3 and 4 disposed on both sides of the membrane electrode assembly 1 and the frame 2. And have.
  • This single cell C forms a flow path for anode gas (hydrogen-containing gas) between the membrane electrode assembly 1 and one separator 3, and between the membrane electrode assembly 1 and the other separator 4.
  • a flow path for cathode gas (oxygen-containing gas: for example, air) is formed.
  • the membrane electrode assembly 1 is generally called MEA (Membrane Electrode Assembly) and has a structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode.
  • the electrode includes a catalyst layer that performs a catalytic reaction, a gas diffusion layer that enhances the diffusibility of the anode gas and the cathode gas, and the like.
  • the frame 2 is a thin film member having insulating properties, and is a plastic film, for example.
  • the frame 2 is integrated with the outer periphery of the membrane electrode assembly 1 disposed inside thereof, so that the membrane electrode assembly 1 is keeping. The detailed structure of the frame 2 will be described later.
  • Each separator 3, 4 is made of, for example, stainless steel, and is formed into an appropriate shape by press working or the like, and a central region corresponding to the membrane electrode assembly 1 is formed in a concavo-convex shape continuous in the long side direction. is there.
  • Each of the separators 3 and 4 has a corrugated convex portion in contact with the membrane electrode assembly 1 in a portion having an uneven cross-sectional shape, and a gas flow communicating in the long side direction between the corrugated concave portion and the membrane electrode assembly 1. Form a road.
  • the frame 2 and the separators 3 and 4 have manifold holes H1 to H6 that communicate with each other to form a fluid manifold in a state where the single cells C are stacked.
  • manifold holes H1 to H3 and H4 to H6 are provided along the short sides on both sides of the frame 2 and the separators 3 and 4, respectively.
  • manifold holes H1 to H3 arranged along one short side in each drawing are for cathode gas supply (H1), coolant supply (H2), and anode gas discharge (H3).
  • the manifold holes H4 to H6 arranged along the other short side in each figure are for anode gas supply (H4), coolant discharge (H5), and cathode gas discharge (H6).
  • the positional relationship between supply and discharge of the manifold holes H1 to H6 may be partially or entirely reversed.
  • the frame 2 and each of the separators 3 and 4 are hermetically bonded to each other and the periphery of the manifold holes H1 to H6 with an adhesive sealing material (see reference numeral SL in FIG. 2). It is. At this time, a part of the sealing material disposed around the manifold holes H1 to H6 is opened as an inlet / outlet so that the corresponding fluid can flow through each flow path.
  • the frame 2 constituting each single cell C protrudes outward from the outer peripheral end of the separators 3 and 4 at the outer peripheral portion of the frame main body 2A. It has the protrusion part 11 which does.
  • the frame 2 in the illustrated example has rectangular protrusions 11 at a total of eight places, three places on both long sides of the frame body 2A and one place on the center of both short sides. The three protrusions 11 on each long side are arranged at equal intervals.
  • the frame 2 of each single cell C has the same form.
  • the protruding portion 11 is arranged at a point-symmetrical position with respect to the center of gravity G in the plane of the frame main body 2A. Further, as shown in FIG. 2 (C), the protruding portion 11 has a protruding length L that is at least larger than the interval S between the frame 2 and the end of the separator 3 (4), and with respect to the frame body 2A. Can be bent.
  • the frame 2 may have a configuration in which a bent portion 11A is formed on the base portion of the projecting portion 11 so as to promote bending as a more preferable embodiment.
  • a bent portion 11A include a groove (thin wall portion) formed by pressing or cutting, a crease, a perforation, and the like.
  • the frame 2 is, as shown in FIG. 2 (B), at least a part of the protruding portion 11 of the adjacent single cell C when the protruding length L of the protruding portion 11 is bent. It is good also as a structure which makes it the length which overlaps.
  • the protruding portions 11 of the respective frames 2 are in a protruding state on the outer peripheral portion of each stacked single cell C.
  • the protrusion 11 has a protrusion length L that is at least larger than the distance S between the frame 2 and the end of the separator 3 (4), or a protrusion length L that is longer than that.
  • the fuel cell stack FS is configured such that when the protrusion 11 is bent upward (or downward), the end surface of the upper separator 3 of its own unit cell C, and The protruding portion 11 covers at least the end surface of the lower separator 4 of the unit cell C adjacent to the upper side.
  • the fuel cell stack FS has a space between the end face of the separators 3 and 4 and the case 50, as shown in FIG.
  • the protruding portion 11 is interposed.
  • the fuel cell stack FS prevents the contact between the separators 3 and 4 constituting the single cell C and the contact between the end surfaces of the separators 3 and 4 and the case 50 by the protruding portion 11. A short circuit can be prevented.
  • the fuel cell stack FS has the protruding portion 11 interposed between the end faces of the separators 3 and 4 and the case 50, the gap between the case 50 and the laminate A is minimized to provide insulation. It becomes possible to hold the laminate A while maintaining it, and satisfactory vibration resistance and impact resistance can be satisfied.
  • the fuel cell stack FS can prevent short-circuiting of the single cell C without using any other member or insulating coating by the protruding portion 11 integrated with the frame 2, thereby improving productivity.
  • the manufacturing cost can be reduced, and the laminate A can be reduced in size.
  • the frame 2 has a bent portion 11A that is processed to promote bending at the base portion of the protruding portion 11, so that the bending of the protruding portion 11 becomes very easy. As a result, the assembly workability is further improved.
  • the protruding length L of the protruding portion 11 is set to a length that overlaps at least a part of the protruding portion 11 of the adjacent single cell C in the bent state.
  • the end faces of the separators 3 and 4 can be completely covered.
  • the protruding portion 11 is arranged in a point-symmetrical position with respect to the center of gravity G in the plane of the frame body 2A, the protruding portion 11 is balanced on the entire circumference of the single cell C. It is well arranged, and the function of preventing the short circuit of the single cell C and the function of vibration resistance and impact resistance can be further enhanced.
  • FIGS. 3 to 9 are diagrams for explaining second to seventh embodiments of the fuel cell stack according to the present invention.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 3 includes a bent portion 3A in which the frame 2 in each single cell C has a protruding portion 11 on the outer peripheral portion thereof and is bent downward (or upward) on the outer peripheral portion of the separators 3 and 4. , 4A are provided.
  • the bent portions 3 ⁇ / b> A and 4 ⁇ / b> A in the illustrated example are formed at three locations on both long sides of the separators 3 and 4.
  • the bending part 4A of the lower separator 4 of the single cell C is outside the bending part 3A of the upper separator 3 of the single cell C adjacent to the lower side. Is engaged so as to cover.
  • the fuel cell stack FS having the above-described configuration can prevent the single cell C from being short-circuited by the protruding portion 11 as in the previous embodiment. Further, the fuel cell stack FS can increase the rigidity of the outer periphery of the separators 3 and 4 by the bent portions 3A and 4A, and the single cells C adjacent in the stacking direction are positioned with respect to each other, The short-circuit prevention function of the single cell C and the vibration resistance and impact resistance functions can be further enhanced.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining another form of the protruding portion 11 in the frame 2.
  • Various shapes and bent portions 11 ⁇ / b> A can be adopted for the protruding portion 11.
  • the protruding portion 11 shown in FIG. 4A has a rectangular shape similar to that described in the previous embodiment, and has a bent portion 11A at the base.
  • the protrusion 11 shown in FIG. 4B has a triangular shape and has a bent portion 11A at the base.
  • the protrusion 11 shown in FIG. 4 (C) has a trapezoidal shape with the tip as the upper base, and has a bent portion 11A at the base (lower base).
  • the protrusion 11 shown in FIG. 4D has a semicircular shape and has a bent portion 11A at the base.
  • Projection 11 shown in FIG. 4 (E) has a trapezoidal shape with the tip at the hypotenuse, and has a bent portion 11A at the base.
  • the protruding portion 11 shown in FIG. 4G has a rectangular shape, and a notched portion that connects the center in the width direction and the frame body 2A is a bent portion 11A.
  • the protruding portion 11 shown in FIG. 4 (H) has a rectangular shape, and has a bent portion 11A that is bent at the base by hot pressing.
  • the protrusion 11 in the frame 2 can be easily bent with respect to the frame body 2 ⁇ / b> A by adopting various shapes and bending portions 11 ⁇ / b> A.
  • the function to prevent will be exhibited.
  • the protrusion part 11 can prevent the short circuit of the single cell C, it is naturally possible to adopt the configuration shown in FIG. 4 and other forms.
  • the frame 2 of the fuel cell stack shown in FIG. 5 has a frame body 2A having a rectangular shape, and includes a protrusion 11 on one side of at least two parallel sides and a protrusion 11 on the other side. However, they are arranged alternately.
  • the frame 2 in the illustrated example has protrusions 11 on both long sides, and has three protrusions 11 on one long side and four protrusions 11 on the other long side. .
  • each protrusion 11 has the same width dimension W1, and this width dimension W1 is equal to the interval W2 between adjacent protrusions 11 on the same side.
  • the frame 2 is cut from the continuous frame material F as indicated by imaginary lines in the figure, and is on a side (long side) orthogonal to the continuous direction of the frame material F (the arrow direction in the figure).
  • the protrusion part 11 is arrange
  • the frame material F has, for example, a belt shape and is wound in a roll shape, and an opening K for arranging the membrane electrode assembly, manifold holes H1 to H6, and a plurality of protrusions 11 are formed by press cutting. .
  • the frame 2 can use the frame material F without waste, and can improve the material yield and reduce the manufacturing cost.
  • the frame body 2 ⁇ / b> A has a rectangular shape and has protruding portions 11 on both long sides.
  • the frame 2 in the illustrated example has seven projecting portions 11 arranged on both long sides without any gaps, and each projecting portion 11 has a trapezoidal shape with the tip as an oblique side, and the projecting portion on one long side.
  • the oblique side of 11 and the oblique side of the projection 11 of the other long side are parallel to each other.
  • the short-circuit of the single cell C can be prevented by the protruding portion 11 as in the previous embodiment. Is cut from the continuous frame material F, as indicated by a virtual line.
  • the frame 2 on the frame material F, the oblique side of the protruding portion 11 of the frame 2 and the oblique side of the protruding portion 11 of the adjacent frame 2 are combined.
  • the frame 2 can use the frame material F without waste similarly to the previous embodiment, and can improve the material yield and the manufacturing cost.
  • the frame 2 of the fuel cell stack shown in FIG. 7 has a rectangular shape, and has one protrusion 11 on each of the four sides.
  • the protrusion 11 in the illustrated frame 2 has a width that is slightly shorter than the total length of each side. In the illustrated example, there is a portion without the protruding portion 11 in the vicinity of the corner portion of the frame main body 2A, but the protruding portion 11 can be provided over the entire length of each side.
  • the frame 2 constitutes the single cell C and further constitutes the laminated body A, and the short-circuit of the single cell C can be prevented by the protrusion 11 as in the previous embodiments.
  • the fuel cell stack can cover most of the end surfaces of the separators 3 and 4 with the protrusions 11 by adopting the frame 2, and most of the gap between the end surfaces of the separators 3 and 4 and the case 50.
  • the protruding portion 11 is interposed.
  • the fuel cell stack more reliably prevents contact between the separators 3 and 4 of the single cell C, and contact between the end face of the separators 3 and 4 and the case 50, and reliably prevents short circuit of the single cell C. To get.
  • the frame 2 of the fuel cell stack shown in FIG. 8A has three projecting portions 11 on one long side and 4 on the other long side, as in the fifth embodiment (see FIG. 5). It has two protrusions 11, and also has a protrusion 11 at the center of both short sides.
  • the frame 2 is bent in at least one row of the protruding portions 11 of the protruding portions 11 arranged in the stacking direction of the single cells C. However, it is different from the bending direction of the protrusions 11 in the other rows.
  • the protrusions 11 in the central row of the three protrusions 11 are bent downward in the figure, and the protrusions 11 in the rows on both sides thereof. Is bent upward in the figure.
  • the first and third rows of projections 11 of the four projections 11 are bent upward in the drawing, and the second and fourth rows of projections 11. Is bent downward in the figure.
  • one short-side protruding portion 11 is bent upward in the drawing, and the other short-side protruding portion 11 is bent downward in the drawing.
  • the fuel cell stack having the above-described configuration can prevent the single cell C from being short-circuited by the protrusions 11 as in the previous embodiment. Further, in the fuel cell stack, by changing the folding direction of the protrusions 11 arranged in the stacking direction in units of columns, the reaction force of the bent protrusions 11 is individually obtained in the state where the stacked body A is accommodated in the case 50. It is possible to act on the single cell C in a well-balanced manner, and to prevent the deformation of the frame 2 more reliably.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 9A includes a frame-like case 51 that houses the stacked body A.
  • the case 51 includes a first case member 52 and a second case member 53 combined therewith.
  • the first case member 52 includes a vertical face plate 52A, a bottom plate 52B, and a side frame portion 52C.
  • the second case member 53 includes a top plate 53A and a front frame portion 53B that faces the face plate 52A.
  • the stacked body A in which the stacking direction of the single cells C is set up and down is arranged on the bottom plate 52 B of the first case 52, and the second case member 53 is combined with the first case member 52.
  • the case 51 holds the upper and lower surfaces of the laminate A between the top plate 53A and the bottom plate 52B, and holds the front and back surfaces of the laminate A between the face plate 52A and the front frame portion 53B.
  • the side surface of the laminate A is held by the frame portion 52C.
  • the frame 2 of each single cell C has the same form.
  • the first and second frames 21 and 22 having different arrangements are employed.
  • the frame 21 shown on the upper side in FIG. 9B has three protrusions 11 on both long sides of the frame body 21A, and one protrusion 11 on the center of both short sides. have.
  • the frame 22 shown on the lower side in FIG. 9B has four protrusions 11 on both long sides of the frame body 22A, and one protrusion 11 on the center of both short sides. Yes.
  • the width dimension W1 of the long-side protrusion 11 is substantially the same, and the interval W2 between the long-side protrusions 11 is substantially the same as the width W1 of the protrusion 11. It is.
  • the fuel cell stack FS has a configuration in which the single cells C having the first frames 21 and the single cells C having the second frames 22 are alternately stacked. Thereby, the first and second frames 21 and 22 in each single cell C are adjacent to each other between the protruding portions 11 on the long side, as shown in a plan view in FIG. The protruding portion 11 is arranged.
  • the case 51 is provided with a frame support 51H that maintains the protruding portion 11 of the frame 2 in a bent state with respect to the laminate A described above.
  • the material and shape of the frame support 51H are not particularly limited, but more preferably an insulating member such as plastic can be used.
  • the frame support portion 51H of this embodiment is a belt-like member fixed to the face plate 52A and the front frame portion 53B of the case 51 with bolts B as shown in FIG. 9A.
  • the frame support 51H may be separate from the case 51 as shown, or may be integrated with the case 51.
  • FIG. 9A four frame support portions 51H are illustrated, but actually, the frame support portions 51H are arranged corresponding to the number of the protruding portions 11 in the stacked body A.
  • the fuel cell stack FS bends the protruding portion 11 of the first frame 21 downward in the drawing by the frame support portion 51H of the case 51, and maintains the bent state. .
  • the fuel cell stack FS is bent in the upward direction in the drawing by the other frame support portion 51H of the case 51 so that the bent state is obtained.
  • 10B and 10C are cross-sectional views based on the AA line and the BB line in FIG. 10A, and only the protruding portion 11 in each cross section is shown by a solid line. The protrusion 11 on the back side is indicated by a broken line.
  • the fuel cell stack FS having the above-described configuration can prevent the single cell C from being short-circuited by the protrusions 11 as in the previous embodiment, and the bending direction of the protrusions 11 can be varied in units of columns. At least the uneven deformation of the frame 2 is more reliably prevented. Moreover, since the fuel cell stack FS maintains the protruding portion 11 of the frame 2 in a bent state by the frame support portion 51H, the short-circuit prevention function by the protruding portion 11 can be reliably maintained over a long period of time.
  • the first and second frames 21 and 22 are alternately arranged on the frame material (F) illustrated in FIGS. 5 and 6 with no gaps because the arrangement of the protrusions 11 on the long sides is staggered. It is possible to cut out from the same frame material F.
  • the fuel cell stack FS having the above-described configuration can be attached to the frame support portion 51H before and after the stack A is accommodated in the case 51. That is, the frame support portion 51H is provided in advance on the case 51 side, and thereafter, the stacked body A is moved and accommodated in the stacking direction. Thereby, the laminated body A is accommodated while the protrusion 11 is bent by the frame support 51H, and the bent state of the protrusion 11 is maintained after the accommodation.
  • the laminated body A is accommodated at a predetermined position of the case 51, and then the frame support part 51H is inserted into the arrangement position of the protrusion part 11, whereby the protrusion part 11 is bent and the frame support part 51H is fixed to the case 51.
  • the bent state of the protruding portion 11 is maintained.
  • the case 51 is provided with a frame support 51H in advance at the arrangement position of the protrusions 11 to be bent upward, and the laminated body. A is accommodated from the upper side, and the protruding portion 11 is bent upward. Thereafter, the frame support portion 51H is inserted into the arrangement position of the remaining protrusions 11, and the protrusions 11 of the array are bent downward.
  • the configuration of the fuel cell stack according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the details of the configurations may be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention. It is possible to combine them appropriately.
  • a Stack C Single cell F Frame material FS Fuel cell stack 1 Membrane electrode assembly 2 Frame 2A Frame body 3, 4 Separator 11 Projection 11A Bending portion 21 First frame 21A Frame body 22 Second frame 22A Frame body 50 Case 51 Case 51H Frame holder

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

膜電極接合体１の外周部を保持するフレーム２と、その両面側に配置したセパレータ３，４とを備えた単セルＣを有し、単セルＣを複数枚積層して成る積層体Ａと、これを収容するケース５０とを備えた燃料電池スタックＦＳであって、フレーム２が、フレーム本体２Ａの外周部に、セパレータ３，４の外周端部よりも外側に突出する突出部１１を有し、突出部１１が、少なくともフレーム２とセパレータ３，４の間隔よりも大きい突出長さを有し、且つフレーム本体２Ａに対して折り曲げ可能であるものとし、この突出部１１により、単セルＣを構成するセパレータ３，４同士の接触やセパレータ３，４の端面とケース５０との接触を阻止して、単セルＣの短絡を防止する。

Description

燃料電池スタック
　本発明は、単セルを複数枚積層して成る積層体を備えた燃料電池スタックに関するものである。
　従来の燃料電池スタックとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池スタックは、電解質（電解質膜）の外周部に補強枠を設けた接合体と、気体の流路が形成されたセパレータとを複数積層したスタックセル構造を有している。この燃料電池スタックは、補強枠内にセパレータが配置してあり、この際、セパレータと補強枠とが干渉しないように、あるいはセパレータの外周が補強枠の内周と面一になるように配置している。上記の燃料電池スタックは、電解質の変形を防止して、発電効率を維持するものである。
日本国特許第４４９６７３２号公報
　ところで、燃料電池スタックは、単セルの積層体の防水性や気密性、若しくは単セルの保護等を図るために、積層体をケースに収容することが一般的である。しかしながら、このような燃料電池スタックでは、単セルを構成するセパレータ同士の接触やセパレータとケースとの接触により、短絡が生じる可能性がある。
　本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、単セルを複数枚積層して成る積層体と積層体を収容するケースを備えた燃料電池スタックにおいて、単セルの短絡を防止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、膜電極接合体の外周部を保持するフレームと、膜電極接合体及びフレームの両面側に配置した一対のセパレータとを備えた単セルを有し、前記単セルを複数枚積層して成る積層体と、前記積層体を収容するケースとを備えた構造である。そして、燃料電池スタックは、フレームが、フレーム本体の外周部に、セパレータの外周端部よりも外側に突出する突出部を有し、突出部が、少なくともフレームとセパレータの端部との間隔よりも大きい突出長さを有し、且つフレーム本体に対して折り曲げ可能であることを特徴としている。
　本発明に係わる燃料電池スタックは、積層した各単セルの外周部に、夫々のフレームの突出部が突出状態になる。この際、突出部は、少なくともフレームとセパレータの端部との間隔よりも大きい突出長さを有している。このため、燃料電池スタックは、フレーム本体に対して突出部を折り曲げると、自己の単セルの一方のセパレータの端面、及び隣接する単セルの少なくとも片方のセパレータの端面を突出部が覆う状態になる。このような状態は、積層体における突出部の配列箇所において、その積層方向に連続的に得られる。また、積層体をケースに収容した際には、これらのセパレータの端面とケースとの間に突出部が介在した状態になる。
　これにより、上記の燃料電池スタックは、突出部により、単セルを構成するセパレータ同士の接触やセパレータの端面とケースとの接触を阻止して、単セルの短絡を防止することができる。
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）、及び斜視分解図（Ｂ）である。 第１実施形態におけるフレームの平面図（Ａ）、積層体の斜視図（Ｂ）、及び図Ｂ中のＡ－Ａ線に基づく断面図（Ｃ）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セパレータの平面図（Ａ）、及び図Ａ中のＡ－Ａ線に基づく断面図（Ｂ）である。 突出部の他の８例を説明する各々平面図（Ａ）～（Ｈ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第３実施形態を説明するフレームの平面図である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第４実施形態を説明するフレームの平面図である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第５実施形態を説明するフレームの平面図（Ａ）、及び積層体の斜視図（Ｂ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第６実施形態を説明するフレームの平面図（Ａ）、積層体の斜視図（Ｂ）、図Ｂ中のＡ－Ａ線に基づく断面図（Ｃ）、及び図Ｂ中のＢ－Ｂ線に基づく断面図（Ｄ）である。 本発明に係わる燃料電池スタックの第７実施形態を説明する分解状態の斜視図（Ａ）、上段側及び下段側のフレームの平面図（Ｂ）である。 図９に示す上下のフレームを重ねた状態で示す平面図（Ａ）、図Ａ中のＡ－Ａ線に基づく断面図（Ｂ）、及び図Ａ中のＢ－Ｂ線に基づく断面図（Ｃ）である。
〈第１実施形態〉
　図１（Ａ）に示す燃料電池スタックＦＳは、矩形状の単セルＣを複数枚積層して積層体Ａを構成している。積層体Ａの積層方向の一端部（図中で右端部）には、集電板５４Ａ及びスペーサ５５を介してエンドプレート５６Ａが配置してあり、積層体Ａの積層方向の他端部には、集電板５４Ｂを介してエンドプレート５６Ｂが配置してある。
　また、燃料電池スタックＦＳは、単セルＣの長辺側となる両面（図１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。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、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（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａを積層方向に拘束・加圧して個々の単セル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。この実施形態における燃料電池スタックＦＳは、各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂが、積層体Ａを収容するケース５０に相当する。
　単セルＣは、図１（Ａ）に示すように、膜電極接合体１の外周部を保持するフレーム２と、膜電極接合体１及びフレーム２の両面側に配置した一対のセパレータ３，４とを有している。この単セルＣは、膜電極接合体１と一方のセパレータ３との間に、アノードガス（水素含有ガス）の流路を形成すると共に、膜電極接合体１と他方のセパレータ４との間に、カソードガス（酸素含有ガス：例えば空気）の流路を形成している。
　膜電極接合体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであり、固体高分子から成る電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持した構造を有している。電極には、触媒反応を行う触媒層や、アノードガス及びカソードガスの拡散性を高めるガス拡散層などが含まれる。
　フレーム２は、絶縁性を有する薄膜の部材であって、例えばプラスチック製のフィルムであり、その内側に配置した膜電極接合体１の外周部と一体化することで、同膜電極接合体１を保持している。このフレーム２の詳細な構造は後に述べる。
　各セパレータ３，４は、例えばステンレス製であって、プレス加工などにより適宜の形状に成形され、膜電極接合体１に対応する中央領域が、長辺方向に連続する断面凹凸形状に形成してある。各セパレータ３，４は、その断面凹凸形状の部分において、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間に、長辺方向に連通するガス流路を形成する。
　上記のフレーム２及びセパレータ３，４は、単セルＣを積層した状態で、互いに連通して流体用のマニホールドを形成するマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６を有している。図示例では、フレーム２及びセパレータ３，４の両側の短辺に沿って、夫々３個ずつのマニホールド穴Ｈ１～Ｈ３，Ｈ４～Ｈ６を有している。
　一例として、各図中で一方の短辺に沿って配置したマニホールド穴Ｈ１～Ｈ３は、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）、アノードガス排出用（Ｈ３）である。また、各図中で他方の短辺に沿って配置したマニホールド穴Ｈ４～Ｈ６は、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）、カソードガス排出用（Ｈ６）である。なお、各マニホールド穴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良い。
　上記のフレーム２及び各セパレータ３，４は、互いの外周縁部同士、及びマニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周囲が、接着性を有するシール材（図２中の符号ＳＬ参照）により気密的に接合してある。この際、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６の周囲に配置したシール材は、各流路に夫々該当する流体が流通し得るように、その一部が出入口として開放してある。
　上記の燃料電池スタックＦＳは、図２（Ａ）に示すように、各単セルＣを構成するフレーム２が、フレーム本体２Ａの外周部に、セパレータ３，４の外周端部よりも外側に突出する突出部１１を有している。図示例のフレーム２は、フレーム本体２Ａの両長辺の３箇所及び両短辺の中央の１箇所、合計８箇所に矩形状の突出部１１を有している。各長辺の３つの突出部１１は、等間隔で配置してある。各単セルＣのフレーム２は、いずれも同じ形態である。
　すなわち、突出部１１は、フレーム本体２Ａの面内の重心Ｇに対して、点対称位置に配置してある。また、突出部１１は、図２（Ｃ）に示すように、少なくともフレーム２とセパレータ３（４）の端部との間隔Ｓよりも大きい突出長さＬを有し、且つフレーム本体２Ａに対して折り曲げ可能である。
　さらに、フレーム２は、より好ましい実施形態として、突出部１１の基部に、折り曲げを促進する加工を施した曲げ部１１Ａを有する構成としても良い。曲げ部１１Ａには、例えば、プレスや切断などにより形成した溝（薄肉部）、折り目、及び目打ちなどが挙げられる。
　さらに、フレーム２は、より好ましい実施形態として、図２（Ｂ）に示すように、突出部１１の突出長さＬが、折り曲げた状態において、隣接する単セルＣの突出部１１の少なくとも一部に重なる長さにする構成としても良い。
　上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、積層した各単セルＣの外周部に、夫々のフレーム２の突出部１１が突出状態になる。この際、突出部１１は、少なくともフレーム２とセパレータ３（４）の端部との間隔Ｓよりも大きい突出長さＬ、若しくはそれ以上の突出長さＬを有している。
　このため、燃料電池スタックＦＳは、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、突出部１１を上方（又は下方）に折り曲げると、自己の単セルＣの上側のセパレータ３の端面、及び上側に隣接する単セルＣの少なくとも下側のセパレータ４の端面を突出部１１が覆う状態になる。
　また、燃料電池スタックＦＳは、突出部１１の突出長さＬがより大きい場合には、同突出部１１の上端部が、上側に隣接する単セルＣにおける突出部１１の下端部に重なる状態になる。このような状態は、積層体Ａにおける突出部１１の配列箇所において、その積層方向に連続的に得られる。
　さらに、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａをケース５０に収容した際には、図２（Ｃ）にケース５０の一部を示すように、セパレータ３，４の端面とケース５０との間に突出部１１が介在した状態になる。
　これにより、上記燃料電池スタックＦＳは、突出部１１により、単セルＣを構成するセパレータ３，４同士の接触やセパレータ３，４の端面とケース５０との接触を阻止して、単セルＣの短絡を防止することができる。しかも、上記燃料電池スタックＦＳは、セパレータ３，４の端面とケース５０との間に突出部１１が介在しているので、ケース５０と積層体Ａとの間隔を最小限にして、絶縁性を維持しつつ積層体Ａを保持することが可能になり、良好な耐振性や耐衝撃性を満足することができる。
　ここで、単セルＣの短絡を防止するには、例えば、フレーム２の外周部に、セパレータ３，４の端面を覆う別の部材を配置したり、積層体Ａの周囲を絶縁材で被覆することも考えられる。しかし、別の部材や絶縁被覆を用いると、その分、部品点数や製造工程が増加し、積層体Ａの外観寸法が増大する虞もある。これに対して、上記燃料電池スタックＦＳは、フレーム２に一体化した突出部１１により、別の部材や絶縁被覆を全く用いることなく単セルＣの短絡を防止することができ、生産性の向上や製造コストの低減、積層体Ａの小型化などに貢献することができる。
　また、上記の燃料電池スタックＦＳは、フレーム２が、突出部１１の基部に、折り曲げを促進する加工を施した曲げ部１１Ａを有するものとしているので、突出部１１の折り曲げが非常に容易になり、これにより、組立作業性のさらなる向上などを実現する。
　さらに、上記の燃料電池スタックＦＳは、突出部１１の突出長さＬが、折り曲げた状態において、隣接する単セルＣの突出部１１の少なくとも一部に重なる長さとすることで、突出部１１の配列箇所では、セパレータ３，４の端面を完全に被覆することができる。これにより、燃料電池スタックＦＳは、単セルＣにおける短絡を防止する機能がより一層高められる。
　さらに、上記の燃料電池スタックＦＳは、突出部１１が、フレーム本体２Ａの面内の重心Ｇに対して、点対称位置に配置してあるので、単セルＣの全周に突出部１１がバランス良く配置され、単セルＣの短絡を防止する機能や、耐振性及び耐衝撃性の機能をより高めることができる。
　図３～図９は、本発明に係わる燃料電池スタックの第２～第７の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同等の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
〈第２実施形態〉
　図３に示す燃料電池スタックＦＳは、各単セルＣにおけるフレーム２が、その外周部に突出部１１を有すると共に、セパレータ３，４の外周部に、下向き（又は上向き）に折り曲げた屈曲部３Ａ，４Ａが設けてある。図示例の屈曲部３Ａ，４Ａは、セパレータ３，４の両長辺の各々３箇所に形成してある。そして、屈曲部３Ａ，４Ａは、単セルＣを積層した状態では、単セルＣの下部セパレータ４の屈曲部４Ａが、その下側に隣接する単セルＣの上部セパレータ３の屈曲部３Ａの外側を覆うように係合している。
　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、突出部１１により、単セルＣの短絡を防止することができる。また、上記燃料電池スタックＦＳは、屈曲部３Ａ，４Ａにより、セパレータ３，４の外周部の剛性を高めることができると共に、積層方向に隣接する単セルＣ同士が互いに位置決めされた状態になり、単セルＣの短絡防止機能や、耐振性及び耐衝撃性の機能をより高められる。
〈突出部の他の形態〉
　図４は、フレーム２における突出部１１の他の形態を説明する図である。
　突出部１１には、様々な形状や曲げ部１１Ａを採用することができる。図４（Ａ）に示す突出部１１は、先の実施形態で説明したものと同様に、矩形状を成し、その基部に曲げ部１１Ａを有するものである。図４（Ｂ）に示す突出部１１は、三角形状を成し、その基部に曲げ部１１Ａを有するものである。
　図４（Ｃ）に示す突出部１１は、先端を上底とする台形状を成し、その基部（下底）に曲げ部１１Ａを有するものである。図４（Ｄ）に示す突出部１１は、半円形状を成し、その基部に曲げ部１１Ａを有するものである。図４（Ｅ）に示す突出部１１は、先端を斜辺とする台形状を成し、その基部に曲げ部１１Ａを有するものである。
　図４（Ｆ）に示す突出部１１は、矩形状を成し、その基部に、一対のスリット１１Ｂ，１１Ｂを含む曲げ部１１Ａを有するものである。図４（Ｇ）に示す突出部１１は、矩形状を成し、幅方向の中央とフレーム本体２Ａとを連続させるノッチ部を曲げ部１１Ａとしたものである。図４（Ｈ）に示す突出部１１は、矩形状を成し、その基部に、熱プレスにより折り加工を施した曲げ部１１Ａを有するものである。
　フレーム２における突出部１１は、図４に例示したように、様々な形状及び曲げ部１１Ａを採用することで、フレーム本体２Ａに対して容易に折り曲げることが可能であり、単セルＣにおける短絡を防止する機能の発揮することとなる。なお、突出部１１は、単セルＣの短絡を防止し得るものであれば、図４に示す構成及びそれ以外の形態を採用することが当然可能である。
〈第３実施形態〉
　図５に示す燃料電池スタックのフレーム２は、フレーム本体２Ａが、矩形状を成しており、少なくとも平行な二辺のうちの一方の辺における突出部１１と、他方の辺における突出部１１とが、互い違いに配置してある。
　図示例のフレーム２は、両長辺に突出部１１を有するものであって、一方の長辺に３つの突出部１１を有し、他方の長辺に４つの突出部１１を有している。この際、各突出部１１は、いずれも同じ幅寸法Ｗ１を有しており、この幅寸法Ｗ１と、同一辺において隣接する突出部１１同士の間隔Ｗ２とが等しいものとなっている。
　上記のフレーム２は、単セルＣを構成し、さらに積層体Ａを構成した状態において、先の実施形態と同様に、突出部１１によって単セルＣの短絡を防止する。
　また、フレーム２は、図中に仮想線で示すように、連続するフレーム素材Ｆから切断したものであり、フレーム素材Ｆの連続方向（図中で矢印方向）に直交する辺（長辺）に突出部１１が配置してある。フレーム素材Ｆは、例えば、帯状を成すとともにロール状に巻回されており、プレスカッティングにより、膜電極接合体を配置する開口部Ｋ、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ６及び複数の突出部１１が形成される。
　この際、フレーム２は、一方の長辺の突出部１１と、他方の長辺の突出部１１とが、互い違いに配置してあるので、フレーム素材Ｆ上においては、フレーム２の突出部１１の間に、隣接するフレーム２の突出部１１が組み合わされる。これにより、フレーム２は、フレーム素材Ｆを無駄なく使用することができ、材料歩留まりの向上や製造コストの低減などを図ることができる。
〈第４実施形態〉
　図６に示す燃料電池スタックのフレーム２は、フレーム本体２Ａが矩形状を成し、両長辺に突出部１１を有している。図示例のフレーム２は、両長辺に７つの突出部１１を隙間無く配置したもので、各突出部１１が、先端を斜辺とする台形状を成しており、一方の長辺の突出部１１の斜辺と、他方の長辺の突出部１１の斜辺とが平行になっている。
　上記のフレーム２は、単セルＣを構成し、さらに積層体Ａを構成した状態において、先の実施形態と同様に、突出部１１によって単セルＣの短絡を防止することができると共に、図中に仮想線で示すように、連続するフレーム素材Ｆから切断したものである。
　この際、フレーム２は、フレーム素材Ｆ上においては、フレーム２の突出部１１の斜辺と、隣接するフレーム２の突出部１１の斜辺とが組み合わされる。これにより、フレーム２は、先の実施形態と同様に、フレーム素材Ｆを無駄なく使用することができ、材料歩留まりの向上や製造コストの低減などを図ることができる。
〈第５実施形態〉
　図７に示す燃料電池スタックのフレーム２は、矩形状を成し、四辺に夫々１つずつの突出部１１を有している。図示例のフレーム２における突出部１１は、各辺の全長よりも若干短い幅寸法を有している。なお、図示例では、フレーム本体２Ａの角部近傍に突出部１１の無い部分があるが、突出部１１を各辺の全長にわたって設けることも可能である。
　上記のフレーム２は、単セルＣを構成し、さらに積層体Ａを構成することとなり、先の各実施形態と同様に、突出部１１によって単セルＣの短絡を防止することができる。しかも、燃料電池スタックは、上記フレーム２を採用することにより、セパレータ３，４の端面の大半を突出部１１で覆うことができ、また、セパレータ３，４の端面とケース５０との隙間の大半に突出部１１が介在することになる。これにより、燃料電池スタックは、単セルＣのセパレータ３，４同士の接触や、セパレータ３，４の端面とケース５０との接触をより確実に阻止し、単セルＣの短絡を確実に防止し得るものとなる。
〈第６実施形態〉
　図８（Ａ）に示す燃料電池スタックのフレーム２は、第５実施形態のもの（図５参照）と同様に、一方の長辺に３つの突出部１１を有し、他方の長辺に４つの突出部１１を有しており、さらに、両短辺の中央にも突出部１１を有している。
　そして、この燃料電池スタックは、図８（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、フレーム２が、単セルＣの積層方向に配列した突出部１１のうちの少なくとも一列の突出部１１の折り曲げ方向が、他列の突出部１１の折り曲げ方向と異なるものとなっている。
　具体的には、燃料電池スタックは、フレーム２の一方の長辺において、３つの突出部１１のうちの中央列の突出部１１を図中で下方向に折り曲げ、その両側の列の突出部１１を図中で上方向に折り曲げている。また、フレーム２の他方の長辺において、４つの突出部１１のうちの第１及び第３の列の突出部１１を図中で上方向に折り曲げ、第２及び第４の列の突出部１１を図中で下方向に折り曲げている。さらに、両短辺においては、一方の短辺の突出部１１を図中で上方向に折り曲げ、他方の短辺の突出部１１を図中で下方向に折り曲げている。
　上記構成を備えた燃料電池スタックは、先の実施形態と同様に、突出部１１によって単セルＣの短絡を防止することができる。さらに、燃料電池スタックは、積層方向に配列された突出部１１の折り曲げ方向を列単位で異ならせることにより、積層体Ａをケース５０に収容した状態において、折り曲げた突出部１１の反力が個々の単セルＣにバランス良く作用し、少なくともフレーム２の偏った変形をより確実に防止することができる。
〈第７実施形態〉
　図９（Ａ）に示す燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａを収容するフレーム状のケース５１を備えている。前記ケース５１は、第１ケース部材５２と、これに組み合わされる第２ケース部材５３を備えている。第１ケース部材５２は、垂直な面板５２Ａ、底板５２Ｂ、及び側面枠部５２Ｃを有している。第２ケース部材５３は、天板５３Ａと、面板５２Ａに相対向する正面枠部５３Ｂを有している。
　このケース５１は、第１ケース５２の底板５２Ｂ上に、単セルＣの積層方向を上下方向にした積層体Ａを配置し、第１ケース部材５２に第２ケース部材５３を組み合わせる。これにより、ケース５１は、天板５３Ａと底板５２Ｂとの間で積層体Ａの上下面を保持すると共に、面板５２Ａと正面枠部５３Ｂとの間で積層体Ａの正背面を保持し、側面枠部５２Ｃにより積層体Ａの側面を保持する。
　ここで、先の各実施形態では、各単セルＣのフレーム２がいずれも同じ形態のものとしたが、この実施形態のフレーム２は、図９（Ｂ）に示すように、突出部１１の配置が異なる第１及び第２のフレーム２１，２２を採用している。
　すなわち、この実施形態において、図９（Ｂ）中で上側に示すフレーム２１は、フレーム本体２１Ａの両長辺に各々３つの突出部１１を有し、両短辺の中央に１つの突出部１１を有している。また、図９（Ｂ）中で下側に示すフレーム２２は、フレーム本体２２Ａの両長辺に各々４つの突出部１１を有し、両短辺の中央に１つの突出部１１を有している。このとき、各フレーム２１，２２では、長辺の突出部１１の幅寸法Ｗ１がいずれもほぼ同一であり、長辺の突出部１１同士の間隔Ｗ２が同突出部１１の幅寸法Ｗ１とほぼ同一である。
　そして、燃料電池スタックＦＳは、第１フレーム２１を有する単セルＣと、第２フレーム２２を有する単セルＣとを交互に積層した構成になっている。これにより、各単セルＣにおける第１及び第２のフレーム２１，２２は、図１０（Ａ）に平面視を示すように、長辺において、突出部１１の間に、隣接するフレーム２１，２２の突出部１１が配置された状態になる。
　上記の積層体Ａに対して、ケース５１は、フレーム２の突出部１１を折り曲げ状態に維持するフレーム支持部５１Ｈを備えている。このフレーム支持部５１Ｈは、その材料や形状がとくに限定されるものではないが、より望ましくはプラスチック等の絶縁部材を用いることができる。
　この実施形態のフレーム支持部５１Ｈは、図９（Ａ）に示すように、ケース５１の面板５２Ａ及び正面枠部５３ＢにボルトＢで固定される帯状の部材である。このフレーム支持部５１Ｈは、図示のようにケース５１と別体でも良いし、ケース５１と一体でも良い。なお、図９（Ａ）には、４本のフレーム支持部５１Ｈを例示しているが、実際には、積層体Ａにおける突出部１１の配列数に対応してフレーム支持部５１Ｈを配置する。
　そして、燃料電池スタックＦＳは、図１０（Ｂ）に示すように、ケース５１のフレーム支持部５１Ｈにより、第１フレーム２１の突出部１１を図中で下向きに折り曲げて、その折り曲げ状態を維持する。また、燃料電池スタックＦＳは、図１０（Ｃ）に示すように、ケース５１の別のフレーム支持部５１Ｈにより、第２フレーム２２の突出部１１を図中で上向きに折り曲げて、その折り曲げ状態を維持する。なお、図１０（Ｂ）（Ｃ）は、図１０（Ａ）中のＡ－Ａ線及びＢ－Ｂ線に基づく断面図であって、夫々の断面における突出部１１のみを実線で示し、その奥側の突出部１１を破線で示している。
　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、突出部１１によって単セルＣの短絡を防止することができると共に、突出部１１の折り曲げ方向を列単位で異ならせて、少なくともフレーム２の偏った変形をより確実に防止する。また、燃料電池スタックＦＳは、フレーム支持部５１Ｈにより、フレーム２の突出部１１を折り曲げた状態に維持するので、突出部１１による短絡防止機能を長期にわたって確実に維持することができる。また、第１及び第２のフレーム２１，２２は、長辺における突出部１１の配置が互い違いであるから、先の図５及び図６で例示したフレーム素材（Ｆ）上に隙間無く交互に配置することが可能であり、同一のフレーム素材Ｆから切り出すことができる。
　さらに、上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、ケース５１への積層体Ａの収容に前後して、フレーム支持部５１Ｈの取付を行うことができる。つまり、ケース５１側に予めフレーム支持部５１Ｈを設けておき、その後、積層体Ａを積層方向に移動させて収容する。これにより、積層体Ａは、フレーム支持部５１Ｈにより、突出部１１が折り曲げられながら収容され、収容後には、突出部１１の折り曲げ状態が維持される。
　また、ケース５１の所定位置に積層体Ａを収容し、その後、フレーム支持部５１Ｈを突出部１１の配列位置に挿入することで、突出部１１を折り曲げ、フレーム支持部５１Ｈをケース５１に固定することで、突出部１１の折り曲げ状態を維持する。
　さらに、上記実施形態のように突出部１１の折り曲げ方向が配列毎に異なる場合には、ケース５１に、上方向に折り曲げる突出部１１の配列位置に予めフレーム支持部５１Ｈを設けておき、積層体Ａを上側から収容して突出部１１を上向きに折り曲げる。その後、残りの突出部１１の配列位置にフレーム支持部５１Ｈを挿入して、その配列の突出部１１を下方向に折り曲げる。
　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。
　Ａ　積層体
　Ｃ　単セル
　Ｆ　フレーム素材
　ＦＳ　燃料電池スタック
　１　膜電極接合体
　２　フレーム
　２Ａ　フレーム本体
　３，４　セパレータ
　１１　突出部
　１１Ａ　曲げ部
　２１　第１フレーム
　２１Ａ　フレーム本体
　２２　第２フレーム
　２２Ａ　フレーム本体
　５０　ケース
　５１　ケース
　５１Ｈ　フレーム保持部

Claims (8)

  1. 　膜電極接合体の外周部を保持するフレームと、膜電極接合体及びフレームの両面側に配置した一対のセパレータとを備えた単セルを有し、前記単セルを複数枚積層して成る積層体と、前記積層体を収容するケースとを備えた燃料電池スタックであって、
    　フレームが、フレーム本体の外周部に、セパレータの外周端部よりも外側に突出する突出部を有し、
    　突出部が、少なくともフレームとセパレータの間隔よりも大きい突出長さを有し、且つフレーム本体に対して折り曲げ可能であることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 　フレームが、突出部の基部に、折り曲げを促進する加工を施した曲げ部を有す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. 　突出部の突出長さが、折り曲げた状態において、隣接する単セルの突出部の少なくとも一部に重なる長さであ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. 　フレームが、フレーム本体の複数箇所に突出部を有しており、
    　単セルの積層方向に配列した突出部のうちの少なくとも一列の突出部の折り曲げ方向が、他列の突出部の折り曲げ方向と異な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。
  5. 　フレーム本体が、矩形状を成しており、
    　少なくとも平行な二辺のうちの一方の辺における突出部と、他方の辺における突出部とが、互い違いに配置してあることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
  6. 　突出部が、フレーム本体の面内の重心に対して、点対称位置に配置してあることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
  7. 　フレームが、連続するフレーム素材から切断したものであり、フレーム素材の連続方向に直交する辺に突出部が配置してあることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池スタック。
  8. 　ケースが、フレームの突出部を折り曲げ状態に維持するフレーム支持部を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
PCT/JP2016/080703 2016-02-23 2016-10-17 燃料電池スタック WO2017145436A1 (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA3015058A CA3015058C (en) 2016-02-23 2016-10-17 Fuel cell stack
JP2018500980A JP6685512B2 (ja) 2016-02-23 2016-10-17 燃料電池スタック
KR1020187025400A KR102020165B1 (ko) 2016-02-23 2016-10-17 연료 전지 스택
EP16891592.4A EP3422447B1 (en) 2016-02-23 2016-10-17 Fuel cell stack
CN201680082230.4A CN108701844B (zh) 2016-02-23 2016-10-17 燃料电池堆
US15/999,811 US10658682B2 (en) 2016-02-23 2016-10-17 Fuel cell stack

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-031632 2016-02-23
JP2016031632 2016-02-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017145436A1 true WO2017145436A1 (ja) 2017-08-31

Family

ID=59686053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/080703 WO2017145436A1 (ja) 2016-02-23 2016-10-17 燃料電池スタック

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10658682B2 (ja)
EP (1) EP3422447B1 (ja)
JP (1) JP6685512B2 (ja)
KR (1) KR102020165B1 (ja)
CN (1) CN108701844B (ja)
CA (1) CA3015058C (ja)
WO (1) WO2017145436A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200127316A1 (en) * 2018-10-22 2020-04-23 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP7337730B2 (ja) 2020-02-28 2023-09-04 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック及びセパレータ

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200403253A1 (en) * 2019-06-20 2020-12-24 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP7136044B2 (ja) * 2019-08-09 2022-09-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池ユニット
DE202020106459U1 (de) * 2020-11-11 2022-02-16 Reinz-Dichtungs-Gmbh Anordnung für ein elektrochemisches System, Stapel sowie elektrochemisches System

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008059760A (ja) * 2006-08-29 2008-03-13 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2010114004A (ja) * 2008-11-07 2010-05-20 Toyota Motor Corp 燃料電池
WO2011152405A1 (ja) * 2010-06-01 2011-12-08 日産自動車株式会社 燃料電池セル
KR20120055398A (ko) * 2010-11-23 2012-05-31 국방과학연구소 연로전지용 가스켓 및 이를 구비하는 연료전지
JP2015146230A (ja) * 2014-01-31 2015-08-13 本田技研工業株式会社 燃料電池

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6716550B1 (en) * 2002-12-20 2004-04-06 Ballard Power Systems Inc. Sealing membrane electrode assemblies for electrochemical fuel cells
CN1536698B (zh) * 2003-04-02 2010-12-15 松下电器产业株式会社 燃料电池用电解质膜结构、mea结构及燃料电池
JP4496732B2 (ja) 2003-07-07 2010-07-07 ソニー株式会社 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2007193971A (ja) 2006-01-17 2007-08-02 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2009283302A (ja) * 2008-05-22 2009-12-03 Honda Motor Co Ltd 燃料電池スタック
WO2014009397A1 (fr) * 2012-07-10 2014-01-16 Areva Stockage D'energie Pile à combustible à isolation électrique améliorée
CN105144447B (zh) * 2013-04-22 2018-03-20 日产自动车株式会社 燃料电池堆的电池构造
US9312580B2 (en) * 2013-07-30 2016-04-12 Johnson Controls Technology Company Battery module with phase change material
US20150037662A1 (en) * 2013-07-30 2015-02-05 Johnson Controls Technology Company System and method for sealing a battery cell
WO2017077634A1 (ja) * 2015-11-06 2017-05-11 日産自動車株式会社 燃料電池の単セル構造、及び該燃料電池単セルを積層した燃料電池のスタック構造
KR101856311B1 (ko) * 2016-03-10 2018-05-09 현대자동차주식회사 막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008059760A (ja) * 2006-08-29 2008-03-13 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2010114004A (ja) * 2008-11-07 2010-05-20 Toyota Motor Corp 燃料電池
WO2011152405A1 (ja) * 2010-06-01 2011-12-08 日産自動車株式会社 燃料電池セル
KR20120055398A (ko) * 2010-11-23 2012-05-31 국방과학연구소 연로전지용 가스켓 및 이를 구비하는 연료전지
JP2015146230A (ja) * 2014-01-31 2015-08-13 本田技研工業株式会社 燃料電池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200127316A1 (en) * 2018-10-22 2020-04-23 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP7337730B2 (ja) 2020-02-28 2023-09-04 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック及びセパレータ

Also Published As

Publication number Publication date
US10658682B2 (en) 2020-05-19
JP6685512B2 (ja) 2020-04-22
EP3422447A4 (en) 2019-01-23
US20190341634A1 (en) 2019-11-07
EP3422447A1 (en) 2019-01-02
KR102020165B1 (ko) 2019-09-09
CA3015058A1 (en) 2017-08-31
JPWO2017145436A1 (ja) 2018-12-06
EP3422447B1 (en) 2021-05-12
CN108701844B (zh) 2019-12-27
CA3015058C (en) 2019-02-26
KR20180104155A (ko) 2018-09-19
CN108701844A (zh) 2018-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017145436A1 (ja) 燃料電池スタック
JP6731008B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池用金属セパレータ
JP4457931B2 (ja) 電池モジュール
JP6496377B1 (ja) 燃料電池用金属セパレータ及び発電セル
EP2337106B1 (en) Rechargeable battery
JP6570587B2 (ja) 燃料電池用セパレータ及び発電セル
WO2011114811A1 (ja) 燃料電池セル
JP6649938B2 (ja) 発電セル
JPWO2011152405A1 (ja) 燃料電池セル
JP5086543B2 (ja) 燃料電池及びその製造方法
JP2008066264A (ja) 燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造
JP5773232B2 (ja) 燃料電池
JP4189345B2 (ja) 燃料電池
JP5144226B2 (ja) 燃料電池
JP2017045637A (ja) 膜電極接合体
JP5927839B2 (ja) 燃料電池スタック
JP6066279B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2011222393A (ja) 燃料電池
JP6493817B2 (ja) 燃料電池スタック
JP5765523B2 (ja) 燃料電池用ガスケット
KR101859894B1 (ko) 연료 전지 스택
JP6150528B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2009037834A (ja) 燃料電池
JP5493503B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2009037863A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2018500980

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 3015058

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20187025400

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020187025400

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016891592

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016891592

Country of ref document: EP

Effective date: 20180924

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16891592

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1