WO2018011948A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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WO2018011948A1 PCT/JP2016/070860 JP2016070860W WO2018011948A1 WO 2018011948 A1 WO2018011948 A1 WO 2018011948A1 JP 2016070860 W JP2016070860 W JP 2016070860W WO 2018011948 A1 WO2018011948 A1 WO 2018011948A1
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敬士 市原
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a fuel cell stack in which a cell structure having a structure in which a solid electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode and separators are alternately laminated.
  • a conventional fuel cell stack is described in Patent Document 1 under the name of a fuel cell seal structure.
  • the fuel cell stack described in Patent Document 1 is formed by stacking a plurality of cells.
  • the cell has a cell plate, an anode current collector, a cell frame, and a separator.
  • a seal groove is formed in the cell frame of one cell, and a protrusion opposite to the seal groove is formed in the separator of the other cell.
  • the fuel cell stack has a structure in which a seal member for sealing the gas flow path is disposed between the seal groove and the protrusion.
  • the seal member has a characteristic of softening within the operating temperature range of the fuel cell.
  • the present invention has been made by paying attention to the above-mentioned conventional problems. Even if a load in the in-plane direction due to a differential pressure or thermal deformation between the anode side and the cathode side occurs in the separator, It aims at providing the fuel cell stack which can suppress a displacement and can maintain a sealing function.
  • the fuel cell stack according to the present invention has a structure in which a cell structure having a frame around a power generation region and separators are alternately stacked.
  • the fuel cell stack includes a seal member that seals between the frame of one of the cell structures disposed on both sides of the separator and the periphery of the separator.
  • each of the second contact portions to be in contact with each other, and each of the connection portions for connecting both ends of the first contact portion with each of the second contact portions. While forming the convex shape used as the top part, each said 2nd contact part has a fixing
  • the fuel cell stack according to the present invention employs the above-described configuration, the first abutting portion, the connecting portions on both sides, and the second abutting portions on both sides having the fixing portion are adjacent to each other in the frames of the adjacent cell structures. A convex shape is maintained between them, and a tensile force in the stacking direction and a shearing force in a direction crossing the sealing member are prevented from being directly applied to the seal member.
  • the fuel cell stack can maintain the sealing function by suppressing the displacement of the separator due to the load even if the separator is subjected to a differential pressure between the anode side and the cathode side or a thermal deformation due to thermal deformation. Can do.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment of a fuel cell stack according to the present invention. It is sectional drawing of the peripheral part of the fuel cell stack shown in FIG. It is sectional drawing explaining transmission of the force produced in the seal member vicinity. It is sectional drawing explaining transmission of the reaction force which arises in the seal member vicinity. It is sectional drawing of the principal part which shows 2nd Embodiment of a fuel cell stack. It is a graph which illustrates the temperature characteristic of the material applicable to a flame
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a fuel cell stack according to the present invention.
  • the illustrated fuel cell stack FS has a structure in which a cell structure 3 including cell frames 2 around a power generation region 1 and separators 4 are alternately stacked.
  • the cell structure 3 is a plate-like multilayer structure having a planar rectangle, and has an air electrode 6 on one surface (upper surface in FIG. 2) of the solid electrolyte 5 as shown in part in FIG.
  • the fuel electrode 7 is provided on the other surface.
  • the cell structure 3 has a support plate 8 made of a porous material such as foam metal on the fuel electrode 7 side.
  • the cell structure 3 has a mechanical strength enhanced by the support plate 8 while maintaining gas permeability to the fuel electrode 7, and may be referred to as a metal support cell, for example.
  • the cell structure 3 includes a reinforcing plate 9 made of a material having gas permeability such as expanded metal or metal mesh on the air electrode 6 side, and maintains gas permeability to the air electrode 6. However, the mechanical strength is further increased.
  • the cell structure 3 integrally includes a metal first frame 2A around the electrolyte 5, the fuel electrode 6 and the air electrode 7, and a second frame 2B integrally around the support plate 8. Have.
  • the second frame is formed by pressurizing the periphery of the support plate 8 made of a porous material to make it dense.
  • the cell structure 3 has the central portion where the electrolyte 5, the air electrode 6 and the fuel electrode 7 are disposed as the power generation region 1, and is composed of the first and second frames 2A and 2B around the power generation region 1.
  • the structure has a frame 2.
  • the separator 4 is made of a metal material such as stainless steel and is a planar rectangular member corresponding to the cell structure 3 and is formed into an inverted shape having irregularities by pressing. This separator 4 is interposed between the adjacent cell structures 3 and 3, and a gas flow of fuel gas (hydrogen-containing gas or hydrogen gas) between the upper cell structure 3 in FIG. 2. A path G1 is formed, and a gas flow path G2 of air (oxidant gas) is formed between the other cell structure 3.
  • fuel gas hydrogen-containing gas or hydrogen gas
  • a fuel gas supply manifold hole H1 and an air discharge manifold hole H2 are formed in the frame 2 of the cell structure 3 and one short side portion of the separator 4, respectively.
  • a fuel gas discharge manifold hole H3 and an air supply manifold hole H4 are formed in the other short side portion, respectively.
  • the fuel cell stack FS includes the cell structures 3 and the separators 4 that are alternately stacked, and end plates E1 and E2 that are disposed above and below the stacked bodies via current collecting plates 10A and 10B. Place.
  • the fuel cell stack FS restrains the stack by connecting the end plates E1 and E2 on both sides with bolts and nuts.
  • a spring for applying a stacking load is disposed as necessary.
  • the main seal members S include those arranged between the peripheral portions of the cell structure 3 and the separator 4, and those arranged around the manifold holes H1 to H4.
  • the sealing member S arranged between the peripheral portions of the cell structure 3 and the separator 4 is provided endlessly over the entire circumference, and hermetically seals the gas flow paths G1 and G2. Further, at least a part of the seal member S arranged around the manifold holes H1 to H4 is opened in order to allow the fuel gas and air to flow through the gas flow paths G1 and G2, respectively. The layers are sealed to separate the fuel gas and air flow regions in an airtight manner.
  • the fuel cell stack FS includes a frame 2 (2B) and a separator 4 of one cell structure 3 of the cell structures 3 and 3 arranged on both sides of the separator 4 as shown in FIG. It has the structure provided with the sealing member S which seals between the peripheral parts.
  • the material of the seal member S is not particularly limited, but more desirably, a glass material such as low crystallized glass can be used, and it has not only a gas seal function but also an adhesion function between members and an electrical insulation function. Is.
  • the upper cell structure 3 in FIG. 2 is referred to as one cell structure 3, and the lower cell structure 3 is referred to as the other cell structure 3.
  • the fuel cell stack FS includes a first contact portion 11 and second contact portions 12 on both sides of the separator 4 in a cross section where the separator 4 crosses the seal member S. Similarly, it has a connecting portion 13 on both sides and forms a convex shape with the first abutting portion 11 as the top.
  • Each of these portions 11 to 13 has a cross-sectional shape shown in the drawing that is continuous in a direction along the seal member S (perpendicular to the plane of FIG. 2 and FIG. 3).
  • the first contact portion 11 is a flat portion that contacts the seal member S, and sandwiches the seal member S with the frame 2 (second frame 2A) of one cell structure 3.
  • the second contact portion 12 is a flat portion that contacts the frame 2 (first frame) of the other cell structure 3 on both sides of the first contact portion 11, and has a fixing portion 14 for the frame 2. ing.
  • the fixing portion 14 of this embodiment is a welded portion with the frame 2.
  • the connecting part 13 is a part for connecting both ends of the first contact part 11 and the second contact parts 12, 12.
  • the separator 4 has a trapezoidal convex shape with the frame 2 having the first contact portion 11 as a top portion (top side) and the connecting portions 13 and 13 as hypotenuses in a cross section crossing the seal member S. Formed between. *
  • the separator 4 of this embodiment has a structure in which an angle ⁇ 1 formed by the second contact portions 12 and 12 and the connecting portions 13 and 13 is larger than 90 degrees.
  • the separator 4 has a structure in which the angles ⁇ 1 formed by the second contact portions 12 and 12 and the connecting portions 13 and 13 are equal to each other.
  • the separator 4 naturally has an angle ⁇ 2 formed by the first contact portion 11 and each connecting portion 13.
  • the angle is larger than 90 degrees and equal to each other on both sides of the first contact portion 11.
  • These angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are not particularly limited. However, when the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are larger than 90 degrees, the downward force applied to the first contact portion 11 is the force in the in-plane direction of the second contact portion 12. It is desirable that it is in a range that can be converted and transmitted well.
  • the fuel cell stack FS having the above configuration introduces fuel gas and air into the gas flow paths G1 and G2, and supplies these gases to the air electrode 6 and the fuel electrode 7, respectively. Electric energy is generated by the electrochemical reaction in 1.
  • the separator 4 is subjected to a differential pressure between the anode side and the cathode side and a load due to thermal deformation in the in-plane direction (direction along the surface).
  • the separator 4 has a cell structure in which the first contact portion 11, the two connection portions 13 and 13, and the second contact portions 12 and 12 having the fixing portion 14 are adjacent to each other.
  • a convex shape is maintained between the frames 2 and 2 of the bodies 3 and 3. That is, in the fuel cell stack FS, the convex shape of the separator 4 resists the load between the adjacent cell structures 3 and 3.
  • the fuel cell stack FS when a force in the compression direction is generated between the layers as indicated by a thick arrow in FIG. 3, the force is applied to the connecting portion 13 as indicated by a thin arrow. Is transmitted along the second contact portion 12. At this time, since the fuel cell stack FS is fixed to the frame 2 by the second fixing portions 14 and 14 of the second abutting portions 12 and 12, the convex shape is crushed even if it receives a force in the compression direction. Maintained without.
  • the fuel cell stack FS generates a reaction force (resistance force) against the above-described force transmission, and the reaction force is transmitted from the second contact portions 12 and 12 on both sides to the respective connecting portions. 13 and acts in the direction of compressing the seal member S. At this time, the reaction force along each connecting portion 13 is also transmitted to the first contact portion 11 and is canceled at the first contact portion 11.
  • the fuel cell stack FS employs the configuration of the above-described embodiment, so that both the second contact portions 12 having the first contact portion 11, the two connection portions 12 and 12, and the fixing portion 14 are provided. 12 maintains a convex shape with the first contact portion 11 as the top between the frames 2 and 2 of the adjacent cell structures 3, and the seal member S has a tensile force in the stacking direction and a direction intersecting this. Prevent direct application of shear forces.
  • the angle ⁇ 1 formed by each of the second contact portions and the connecting portions is larger than 90 degrees, so that the first contact portions 11 shown in FIG. 4 and the reaction force from the second contact portion 12 to the first contact portion 11 shown in FIG. 4 and canceling are performed satisfactorily, and the convex shape of the separator 4 is maintained. Further, the separator 4 can be easily formed by press working by setting the angle ⁇ 1 to an obtuse angle larger than 90 degrees.
  • the fuel cell stack FS has the same angle ⁇ 1 formed between the second contact portion 12 and the connecting portions 13 and 13, the right and left balance of the convex shape is improved, and deformation with respect to the load is improved. This can be surely prevented.
  • the fuel cell stack FS uses the fixing portion 14 of the second abutting portion 12 to the frame 2 as a welded portion, it can have a very simple structure and provide a reliable displacement suppressing function, and can be mass-produced. Even better.
  • the fixing portion 14 is not limited to a welded portion, and brazing, a sealing material, an adhesive, or the like may be employed according to the material of the frame 2 or the like.
  • the fuel cell stack FS employs the separator 4 formed by press working and can suppress the displacement, the fuel cell stack FS is excellent in mass productivity and contributes to cost reduction and thickness reduction of the cell structure 3. Can do.
  • FIGS. 5 to 10 are diagrams for explaining second to sixth 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 whose main part is shown in FIG. 5 has the same basic configuration as that of the previous embodiment.
  • This fuel cell stack FS has a cell structure 3 on the other side (lower side in the drawing) of the one and other cell structures 3 and 3 arranged on both sides of the separator 4, that is, a second contact portion 12.
  • the material of the frame 2 of the cell structure 3 and the separator 4 to be in contact with each other is preferably selected.
  • the fuel cell stack FS is configured such that the linear expansion coefficient of the frame 2 of the other cell structure 3 is larger than the linear expansion coefficient of the separator 4.
  • the frame 2 of this embodiment has a configuration in which the first and second frames 2A and 2B are vertically stacked as described in the first embodiment (see FIG. 2). Therefore, at least the linear expansion coefficient of the first frame 2 ⁇ / b> A on the separator 4 side is made larger than the linear expansion coefficient of the separator 4.
  • the sealing member S of this embodiment shall consist of glass materials.
  • FIG. 6 shows an example of a suitable material.
  • the change in linear expansion coefficient depending on the temperatures of “Crofer22H (registered trademark)” used for the first frame 2A and “AluchromYHf (registered trademark)” used for the separator 4 is shown. It is a graph to show. In both materials, the linear expansion coefficient increases as the temperature rises, and at this time, the respective approximate lines show a substantially parallel relationship with each other.
  • the materials of the first frame 2A and the separator 4 that are fixed to each other are preferably such that the approximate lines are substantially parallel to each other, that is, the change in the difference in linear expansion coefficient is small regardless of the temperature change. These materials are not limited to those illustrated in FIG.
  • the seal member S made of a glass material is softened when the temperature of the fuel cell stack FS becomes high at the start of operation.
  • the first frame 2A has a linear expansion coefficient larger than that of the separator 4, the first frame 2A extends in the in-plane direction as indicated by a black arrow in FIG.
  • the separator 4 is subjected to a force in the direction of crushing the convex shape so that the softened seal member S is not excessively compressed.
  • the fuel cell stack FS compresses the seal member S at a high temperature, when the operation is stopped and the temperature becomes low, the seal member S is cured in a compressed state and the sealing function may be impaired. is there. Therefore, in the fuel cell stack FS, excessive deformation of the seal member S at a high temperature is prevented in advance, and a sufficient sealing function is maintained.
  • the separator 4 contracts in the in-plane direction as indicated by white arrows in FIG.
  • a force in the direction of increasing the height of the convex shape acts on the separator 4, so that the gap between the first contact portion 11 and one frame 2 (second frame 2B) is applied.
  • the sealing member S is sandwiched to maintain a sufficient sealing function.
  • the fuel cell stack FS of the above embodiment maintains a convex shape even when a load is generated on the separator 4 in the in-plane direction due to the pressure difference between the anode side and the cathode side or due to thermal deformation.
  • the seal function can be maintained by suppressing the displacement of the separator 4 due to the load.
  • the fuel cell stack FS always increases the linear expansion coefficient of the separator 4 more than the linear expansion coefficient of the frame 2 (first frame 2A), so that the fuel cell stack FS always keeps against the temperature change accompanying the start and stop of operation. A good sealing function by the sealing member S can be maintained.
  • the fuel cell stack FS whose main part is shown in FIG. 7 has the same basic configuration as that of the previous embodiment, and the separator 4 is opposed to at least one of the connecting parts 13 and the second contact part 13. It has the bending part 15 which supports the frames 2 and 2 to perform continuously. In the illustrated example, a bent portion 15 is provided between both the connecting portions 13 and the second contact portion 13.
  • the angle ⁇ 1 formed by each second contact portion 12 and the connecting portion 13 is set to be greater than 90 degrees.
  • the extension line of each second contact portion 12 An angle ⁇ 1 formed by the connecting portion 13 is set to be larger than 90 degrees.
  • the fuel cell stack FS may be such that the connecting portion 13 and the second contact portion 12 are directly continuous as in the first embodiment (see FIGS. 2 and 3).
  • the connection part 13 and the 2nd contact part 12 may continue indirectly via the bending part 15.
  • the angle ⁇ 1 formed between each second contact portion 12 and the connecting portion 13 is substantially equal to the frame 2 because the second contact portion 12 overlaps the frame 2. And the angle ⁇ 1 formed by the connecting portion 13.
  • the bent portion 15 has first and second inclined sides 15A and 15B having substantially the same length in a cross section crossing the seal member S.
  • the first inclined side 15A extends from the lower end of the connecting portion 13 to the frame 2 (second frame 2B) of one cell structure 3 that is the upper side in the drawing.
  • the second inclined side 15B extends from the upper end of the first inclined side 15A to the end of the second contact portion 12. Thereby, the bent portion 15 forms an isosceles triangle with the frame 2.
  • the fuel cell stack FS of the above embodiment maintains the convex shape of the separator 4 between the frames 2 and 2 of the adjacent cell structures 3 as in the previous embodiment, and loads due to differential pressure and thermal deformation. The displacement of the separator 4 due to is suppressed.
  • the bent portion 15 of the separator 4 hits the frames 2 and 2 facing each other, supports both the frames 2 and 2, and maintains the distance between the frames 2 and 2.
  • the fuel cell stack FS can obtain the same effects as those of the previous embodiment, and can prevent the load from being directly applied to the seal member S while suppressing the displacement of the separator 4. A good sealing function can be maintained more reliably.
  • the first abutting portion 11, the connecting portion 13, the bent portion 15 and the second abutting portion 12 are continuous while being bent with each other. Mechanical strength is increased. As a result, the fuel cell stack FS can more reliably suppress the displacement of the seal line and contribute to further improvement of the seal function.
  • the fuel cell stack FS has the same basic configuration as that of the previous embodiment, and the first abutment portion 11 is a groove portion that holds the seal member S in a cross section that crosses the seal member S. 16. Therefore, the groove 16 is continuous in the direction along the seal member S.
  • the illustrated groove portion 16 is formed by forming protrusions 16A and 16A on both end sides of the first contact portion 11, and forming a concave shape between the protrusions 16A and 16A.
  • the separator 4 has the connecting portion 13 and the second contact portion 12 directly continuous on one side on the left side in the drawing, and the connecting portion 13 and the second contact portion 12 on the other side.
  • the contact portion 12 is continuous through the bent portion 15.
  • the seal member S is used as the groove 16 Apply to.
  • the sealing member S when the sealing member S is softened at a high temperature during operation, the outflow can be prevented, and the sealing function can be maintained by retaining the sealing member S in the groove 16.
  • the fuel cell stack FS has the same effects as those of the previous embodiment, and the first contact portion 11 of the separator 4 is inverted by the groove portion 16 and the projections 16A and 16A on both sides. As a result, the mechanical strength is increased. Thereby, the displacement of a seal line can be suppressed and the sealing function can be further improved.
  • an angle ⁇ 1 formed by each second contact portion 12 and the connecting portion 13 is larger than 90 degrees.
  • an extension line shown at an offset position in FIG. 9 of the straight portion of the connecting portion and the second portion.
  • An angle ⁇ 1 formed with the contact portion 12 is set to be larger than 90 degrees.
  • the fuel cell stack FS described above for example, as shown by a thick arrow in FIG.
  • the force is transmitted to the second contact portion 12 through the connecting portion 13, and at this time, the second contact portion 12 is fixed to the frame 2 by the fixing portion 14, so that the convex shape is maintained without being crushed. Is done.
  • the connecting portion 13 and the second contact portion 12 are continuous with a curve, so that the force applied to the first contact portion 11 is applied to the second contact portion 12 along the curve. Transmitted smoothly.
  • the fuel cell stack FS has the same basic configuration as that of the previous embodiment, and in the separator 4, the angle formed between the second contact portions 12 and 12 and the connecting portions 13 and 13. In this configuration, ⁇ 1 is smaller than 90 degrees. Thereby, the separator 4 forms an inverted trapezoidal convex shape with the first contact portion 11 as a top.
  • the angle ⁇ 2 formed by the first contact portion 11 and the connecting portion 13 is also smaller than 90 degrees. Become.
  • the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are the same angles on both sides of the first contact portion 11.
  • the fuel cell stack FS since the second contact portion 12 is fixed to the frame 2 by the fixing portion 14, the position of the second contact portion 12 does not change, and from the left and right sides of the convex shape. The force toward the center is canceled out, and as a result, the convex shape of the separator 4 is maintained. As a result, the fuel cell stack FS prevents a load from being directly applied to the seal member S while suppressing the displacement of the separator 4 as in the previous embodiment, thereby ensuring a good sealing function. Can be maintained.
  • the angle ⁇ 1 formed by the second contact portion 12 and the connecting portion 13 is larger than 90 degrees, and in the sixth embodiment, the second contact portion 12 and the connecting portion are set.
  • the angle ⁇ 1 formed by 13 is set to be smaller than 90 degrees.
  • the angle ⁇ 1 formed by the second contact portion 12 and the connecting portion 13 may be 90 degrees.
  • the fuel cell stack FS prevents a load from being directly applied to the seal member S while suppressing the displacement of the separator 4, and more reliably maintains a good sealing function.
  • 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.

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Abstract

周囲にフレーム2を備えたセル構造体3とセパレータ4とを交互に積層した燃料電池スタックFSにおいて、一方のセル構造体3のフレーム2とセパレータ4との周縁部同士の間にシール部材Sを備え、セパレータ4は、シール部材Sに当接する第1当接部11と、他方のセル構造体3のフレーム2に当接する第2当接部12と、第1当接部11と第2当接部12とを連接する連接部13とを備えて凸形状を形成し、夫々の第2当接部は、フレームとの固定部を有する。これにより、差圧や熱変形に伴う負荷によるセパレータ4の変位を抑制してシール機能を維持する。

Description

燃料電池スタック
 本発明は、固体電解質を燃料極と空気極とで挟んだ構造を有するセル構造体とセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックの改良に関するものである。
 従来の燃料電池スタックとしては、燃料電池のシール構造の名称で特許文献1に記載されたものがある。特許文献1に記載の燃料電池スタックは、複数のセルを積層して成るものである。セルは、セルプレート、アノード集電体、セルフレーム及びセパレータを有している。そして、燃料電池スタックは、積層方向に隣接するセル同士において、一方のセルのセルフレームに、シール溝を形成すると共に、他方のセルのセパレータに、シール溝に相対向する突起部を形成している。そして、燃料電池スタックは、シール溝と突起部との間に、ガス流路を封止するシール部材を配置した構造を有している。シール部材は、燃料電池の作動温度範囲内において軟化する特性を有するものである。
日本国特開2015-109225号公報
 しかしながら、上記したような従来の燃料電池スタックでは、セパレータに、アノード側とカソード側との差圧や熱変形が生じると、同セパレータに形成した突起部も変形し、これにより、シール部材に、積層方向の引っ張り力やこれに交差する方向の剪断力が直接的に加わる。このため、従来の燃料電池スタックでは、シール部材の耐久性が低下する虞があるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
 本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、セパレータに、アノード側とカソード側との差圧や熱変形による面内方向の負荷が生じても、それらの負荷によるセパレータの変位を抑制してシール機能を維持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、発電領域の周囲にフレームを備えたセル構造体と、セパレータとを交互に積層した構造を有するものである。この燃料電池スタックは、前記セパレータの両面側に配置した前記セル構造体のうちの一方のセル構造体のフレームと前記セパレータとの周縁部同士の間を封止するシール部材を備えている。
 また、燃料電池スタックは、前記セパレータは、前記シール部材を横断する断面において、前記シール部材に当接する第1当接部と、前記第1当接部の両側で他方のセル構造体のフレームに当接する夫々の第2当接部と、前記第1当接部の両端と前記夫々の第2当接部とを連接するための夫々の連接部とを備えて、前記第1当接部を頂部とする凸形状を形成すると共に、夫々の前記第2当接部は、他方のセル構造体のフレームとの固定部を有す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、上記構成を採用したことにより、第1当接部、両側の連接部、及び固定部を有する両側の第2当接部が、隣接するセル構造体のフレーム同士の間で凸形状を維持し、シール部材に積層方向の引っ張り力やこれに交差する方向の剪断力が直接的に加わるのを防止する。これにより、燃料電池スタックは、セパレータに、アノード側とカソード側との差圧や熱変形による面内方向の負荷が生じても、その負荷によるセパレータの変位を抑制してシール機能を維持することができる。
本発明に係わる燃料電池スタックの第1実施形態を示す分解斜視図である。 図1に示す燃料電池スタックの周縁部の断面図である。 シール部材付近で生じる力の伝達を説明する断面図である。 シール部材付近で生じる反力の伝達を説明する断面図である。 燃料電池スタックの第2実施形態を示す要部の断面図である。 フレームとセパレータに適用可能な材料の温度特性を例示するグラフである。 燃料電池スタックの第3実施形態を示す要部の断面図である。 燃料電池スタックの第4実施形態を示す要部の断面図である。 燃料電池スタックの第5実施形態を示す要部の断面図である。 燃料電池スタックの第6実施形態を示す要部の断面図である。
〈第1実施形態〉
 図1は、本発明に係わる燃料電池スタックの一例を概略的に示す図である。図示の燃料電池スタックFSは、発電領域1の周囲にセルフレーム2を備えたセル構造体3と、セパレータ4とを交互に積層した構造を有している。
 セル構造体3は、平面矩形を成すプレート状の多層構造体であり、図2に一部を示すように、固体電解質5の一方の面(図2中で上面)に空気極6を有すると共に、他方の面に燃料極7を有している。また、セル構造体3は、燃料極7側に、発泡金属等の多孔質材から成る支持プレート8を有している。このセル構造体3は、支持プレート8により、燃料極7へのガス透過性を維持しつつ機械的強度を高めたものであり、例えば、メタルサポートセルと称されることがある。
 この実施形態のセル構造体3は、空気極6側に、エキスパンドメタルや金属メッシュ等のガス透過性を有する材料から成る補強プレート9を備えており、空気極6へのガス透過性を維持しつつ機械的強度をより一層高めている。また、セル構造体3は、電解質5,燃料極6及び空気極7の周囲に、金属製の第1フレーム2Aを一体的に有すると共に、支持プレート8の周囲に、第2フレーム2Bを一体的に有している。この第2フレームは、多孔質材から成る支持プレート8の周縁部を加圧して緻密化したものである。
 これにより、セル構造体3は、電解質5,空気極6及び燃料極7を配置した中央部を発電領域1とし、この発電領域1の周囲に、第1及び第2のフレーム2A,2Bから成るフレーム2を有する構造になっている。
 セパレータ4は、ステンレス等の金属材料から成ると共に、セル構造体3に対応した平面矩形の部材であり、プレス加工により凹凸を有する表裏反転形状に成形してある。このセパレータ4は、隣接するセル構造体3,3の間に介装され、図2中で上側の一方のセル構造体3との間に、燃料ガス(水素含有ガス又は水素ガス)のガス流路G1を形成し、他方のセル構造体3との間に、空気(酸化剤ガス)のガス流路G2を形成する。
 ここで、セル構造体3のフレーム2、及びセパレータ4の一方の短辺部分には、燃料ガスの供給用マニホールド穴H1、及び空気の排出用マニホールド穴H2が夫々形成してある。また、他方の短辺部分には、燃料ガスの排出用マニホールド穴H3、及び空気の供給用マニホールド穴H4が夫々形成してある。これらのマニホールド穴H1~H4は、セル構造体3及びセパレータ4の積層状態において、互いに連通して燃料ガスや空気を流通させるマニホールドを夫々形成する。
 燃料電池スタックFSは、図1に示すように、上記のセル構造体3とセパレータ4とを交互に積層し、その積層体の上下に、集電板10A,10Bを介してエンドプレートE1,E2を配置する。そして、燃料電池スタックFSは、両側のエンドプレートE1,E2をボルト・ナット類で連結して積層体を拘束する。エンドプレートE1,E2の連結には、必要に応じて、積層荷重を付与するためのスプリングを配置する。
 なお、図1には2枚のセル構造体3を示したが、実際にはより多数のセル構造体3を積層し、また、個々のセル構造体3の両面にガス流路G1,G2を形成するため、セパレータ4の数はセル構造体3の数よりも1枚多くなる。さらに、集電板10A,10B及び一方のエンドプレートE2には、セル構造体3と同様のマニホールド穴H1~H4が形成してある。
 上記の燃料電池スタックFSにおいて、各部材間には、図1中で点線で示すシール部材Sが配置してある。主なシール部材Sとしては、セル構造体3とセパレータ4との周縁部同士の間に配置したものと、マニホールド穴H1~H4の周囲に配置したものがある。
 セル構造体3とセパレータ4との周縁部同士の間に配置したシール部材Sは、その全周にわたって無端状に設けてあり、ガス流路G1,G2を気密的に封止する。また、マニホールド穴H1~H4の周囲に配置したシール部材Sは、ガス流路G1,G2に燃料ガスや空気を夫々流通させるために、少なくとも一部が開放してあり、それ以外の部分では、層間を封止して燃料ガスや空気の流通領域を気密的に分離している。
 すなわち、上記の燃料電池スタックFSは、図2に示すように、セパレータ4の両面側に配置したセル構造体3,3のうちの一方のセル構造体3のフレーム2(2B)とセパレータ4との周縁部同士の間を封止するシール部材Sを備えた構造になっている。
 シール部材Sは、その材料がとくに限定されないが、より望ましくは、低結晶化ガラス等のガラス材を用いることができ、ガスシール機能だけでなく、部材同士の接着機能、及び電気絶縁機能を有するものである。なお、以下の説明では、図2中の上側のセル構造体3を一方のセル構造体3、下側のセル構造体3を他方のセル構造体3とする。
 そして、燃料電池スタックFSは、図2及び図3に示すように、セパレータ4が、シール部材Sを横断する断面において、第1当接部11と、その両側の第2当接部12と、同じく両側の連接部13とを備えて、第1当接部11を頂部とする凸形状を形成している。これらの各部11~13は、図示の断面形状が、シール部材Sに沿う方向(図2及び図3の紙面垂直方向)に連続している。
 第1当接部11は、シール部材Sに当接する平坦部分であり、一方のセル構造体3のフレーム2(第2フレーム2A)との間でシール部材Sを挟持する。第2当接部12は、第1当接部11の両側において、他方のセル構造体3のフレーム2(第1フレーム)に当接する平坦部分であり、フレーム2への固定部14を有している。この実施形態の固定部14は、フレーム2との溶接部である。
 連接部13は、第1当接部11の両端と各第2当接部12,12とを連接するための部分である。これにより、セパレータ4は、シール部材Sを横断する断面において、第1当接部11を頂部(頂辺)とし、且つ両連接部13,13を斜辺とする台形状の凸形状をフレーム2との間で形成している。 
 この実施形態のセパレータ4は、各第2当接部12,12と連接部13,13とが成す角度α1を、90度よりも大きくした構造にしている。また、セパレータ4は、夫々の第2当接部12,12と連接部13,13とが成す角度α1を、互いに等しくした構造にしている。
 さらに、セパレータ4は、第1及び第2の当接部11,12が互いに平行(実質的に平行)であるから、当然、第1当接部11と各連接部13とが成す角度α2も90度より大きく、第1当接部11の両側において互いに等しい角度である。これらの角度α1,α2は、とくに限定されるものではないが、90度よりも大きい場合は、第1当接部11に加わる下方向の力を第2当接部12の面内方向の力として良好に変換し且つ伝達し得る範囲であることが望ましい。
 上記構成を備えた燃料電池スタックFSは、ガス流路G1,G2に燃料ガス及び空気を導入して、これらのガスを空気極6及び燃料極7に夫々供給し、セル構造体3の発電領域1における電気化学反応により電気エネルギーを発生する。
 また、上記の燃料電池スタックFSでは、運転中において、セパレータ4に、アノード側とカソード側との差圧や、面内方向(面に沿う方向)の熱変形よる負荷が生じる。これに対して、燃料電池スタックFSは、セパレータ4において、第1当接部11、両連接部13,13、及び固定部14を有する両第2当接部12,12が、隣接するセル構造体3,3のフレーム2,2同士の間で凸形状を維持する。つまり、燃料電池スタックFSは、隣接するセル構造体3,3同士の間で、セパレータ4の凸形状が負荷に抗する。
 より具体的には、燃料電池スタックFSは、図3中に太い矢印で示すように、層間に圧縮方向の力が生じた場合には、細い矢印で示すように、その力が連接部13に沿って伝達されて、第2当接部12に沿う方向に伝達される。このとき、燃料電池スタックFSは、両第2当接部12,12が夫々の固定部14,14によりフレーム2に固定されているので、圧縮方向の力を受けても、凸形状が潰れることなく維持される。
 また、燃料電池スタックFSは、図4に示すように、上記の力伝達に対して反力(抗力)が生じ、その反力は、両側の第2当接部12,12から夫々の連結部13に伝達されて、シール部材Sを圧縮する方向に作用する。このとき、各連接部13に沿う反力は、第1当接部11にも伝達され、第1当接部11において相殺される。
 このようにして、燃料電池スタックFSは、上記実施形態の構成を採用したことにより、第1当接部11、両連接部12,12、及び固定部14を有する両第2当接部12,12が、隣接するセル構造体3のフレーム2,2同士の間で第1当接部11を頂部とする凸形状を維持し、シール部材Sに積層方向の引っ張り力やこれに交差する方向の剪断力が直接的に加わるのを防止する。 
 これにより、燃料電池スタックFSは、セパレータ4に、アノード側とカソード側との差圧や熱変形による面内方向(主面に沿う方向)負荷が生じても、その負荷によるセパレータ4の変位を抑制して、シール部材Sによるシール機能を維持することができる。
 また、燃料電池スタックFSは、夫々の第2当接部と連接部とが成す角度α1を90度よりも大きくしたので、図3示す第1当接部11から各第2当接部12への力の伝達や、図4に示す第2当接部12から第1当接部11への反力の伝達及び相殺が良好に行われ、セパレータ4の凸形状を維持する。また、セパレータ4は、上記角度α1を90度よりも大きい鈍角にすることで、プレス加工により容易に成形することができる。
 さらに、燃料電池スタックFSは、夫々の第2当接部12と連接部13,13とが成す角度α1を互いに等しくしているので、凸形状の左右のバランスが良好になり、負荷に対する変形をより確実に防止し得るものとなる。
 さらに、燃料電池スタックFSは、第2当接部12のフレーム2への固定部14を溶接部としているので、極めて簡単な構造にして、確実な変位抑制の機能を得ることができ、量産性にも優れたものとなる。なお、固定部14は、溶接部に限定されることはなく、フレーム2の材料等に応じて、ろう付け、シール材及び接着剤などを採用しても構わない。
 さらに、燃料電池スタックFSは、プレス加工により成形したセパレータ4を採用したうえで、その変位を抑制し得るので、量産性に優れ、セル構造体3の低コスト化や薄型化などに貢献することができる。
 図5~図10は、本発明に係わる燃料電池スタックの第2~第6実施形態を説明する図である。以下の各実施形態においては、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5に要部を示す燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の基本構成を有する。この燃料電池スタックFSは、セパレータ4の両面側に配置した一方及び他方のセル構造体3,3のうちの他方(図中で下側)のセル構造体3、すなわち第2当接部12が当接するセル構造体3のフレーム2と、セパレータ4の材料を好適に選択したものである。
 燃料電池スタックFSは、他方のセル構造体3のフレーム2の線膨張係数が、セパレータ4の線膨張係数よりも大きい構成としている。ここで、この実施形態のフレーム2は、第1実施形態(図2参照)で説明したように、第1及び第2のフレーム2A、2Bを上下に重ねた構成である。そこで、少なくともセパレータ4側となる第1フレーム2Aの線膨張係数を、セパレータ4の線膨張係数よりも大きくしている。なお、この実施形態のシール部材Sは、ガラス材から成るものとする。
 図6は、好適な材料の一例を挙げたもので、第1フレーム2Aに用いる「Crofer22H(登録商標)」と、セパレータ4に用いる「AluchromYHf(登録商標)」の温度による線膨張係数の変化を示すグラフである。両材料は、温度上昇に伴って線膨張係数が増加し、この際、夫々の近似線が互いにほぼ平行な関係を示す。このように、互いに固定される第1フレーム2A及びセパレータ4の材料は、近似線が互いにほぼ平行、すなわち温度変化に係わらず線膨張係数の差の変化が少ないものが好ましい。なお、これらの材料は、図6に例示したものに限定されない。
 上記の燃料電池スタックFSは、運転開始により高温になった場合には、ガラス材から成るシール部材Sが軟化する。この際、第1フレーム2Aは、セパレータ4の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有するので、図6中に黒矢印で示すように、面内方向に伸長する。これにより、セパレータ4には、同じく黒矢印で示すように、凸形状を潰す方向の力が作用し、軟化したシール部材Sが過剰に圧縮されないようにする。つまり、燃料電池スタックFSは、高温時にシール部材Sを圧縮してしまうと、運転停止して低温になった際に、シール部材Sが圧縮された状態で硬化し、シール機能が損なわれる虞がある。そこで、燃料電池スタックFSでは、高温時におけるシール部材Sの過剰な変形を未然に阻止し、充分なシール機能を維持する。
 また、燃料電池スタックFSは、運転停止により温度が低下した場合には、図6中に白矢印で示すように、面内方向にセパレータ4が収縮する。これにより、セパレータ4には、同じく白矢印で示すように、凸形状の高さを増す方向の力が作用し、第1当接部11と一方のフレーム2(第2フレーム2B)との間でシール部材Sを挟持して、充分なシール機能を維持する。
 上記実施形態の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様に、セパレータ4に、アノード側とカソード側との差圧や熱変形による面内方向に負荷が生じても、凸形状を維持し、その負荷によるセパレータ4の変位を抑制してシール機能を維持することができる。また、燃料電池スタックFSは、とくに、セパレータ4の線膨張係数をフレーム2(第1フレーム2A)の線膨張係数よりも大きくすることで、運転の開始及び停止に伴う温度変化に対して、常にシール部材Sによる良好なシール機能を維持することができる。
〈第3実施形態〉
 図7に要部を示す燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の基本構成を有し、セパレータ4が、少なくとも一方の連接部13と第2当接部13との間に、相対向するフレーム2,2同士を支持する屈曲部15を連続的に有している。図示例では、両方の連接部13と第2当接部13との間に、屈曲部15を有している。
 すなわち、本発明の燃料電池スタックFSは、各第2当接部12と連接部13とが成す角度α1を90度よりも大きくしている。ただし、この実施形態の燃料電池スタックFSは、第2当接部12と連接部13との間に屈曲部15が存在するので、より厳密には、各第2当接部12の延長線と連接部13とが成す角度α1を90度よりも大きくしている。このように、燃料電池スタックFSは、第1実施形態(図2,図3参照)のように連接部13と第2当接部12とが直接的に連続したものであっても良いし、この実施形態のように、連接部13と第2当接部12とが屈曲部15を介して間接的に連続したものであっても良い。
 この実施形態の燃料電池スタックFSにおいて、各第2当接部12と連接部13とが成す角度α1は、第2当接部12がフレーム2上に重なっているので、実質的に、フレーム2と連接部13とが成す角度α1とみなすこともできる。
 屈曲部15は、シール部材Sを横断する断面において、ほぼ同じ長さの第1及び第2の傾斜辺15A,15Bを有する。第1傾斜辺15Aは、連接部13の下端から、図中で上側である一方のセル構造体3のフレーム2(第2フレーム2B)に至る。第2傾斜辺15Bは、第1傾斜辺15Aの上端から第2当接部12の端部に至る。これにより、屈曲部15は、フレーム2との間で二等辺三角形を形成する。
 上記実施形態の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様に、隣接するセル構造体3のフレーム2,2同士の間でセパレータ4の凸形状を維持し、差圧や熱変形に伴う負荷によるセパレータ4の変位を抑制する。これに加えて、燃料電池スタックFSは、相対向するフレーム2,2同士にセパレータ4の屈曲部15が突き当たり、両フレーム2,2を支持し、且つ両フレーム2,2の間隔を維持する。
 これにより、上記の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の作用効果が得られるうえに、セパレータ4の変位を抑制しつつシール部材Sに負荷が直接的に加わるのを防止して、良好なシール機能をより確実に維持することができる。
 また、燃料電池スタックFSは、第1当接部11、連接部13、屈曲部15及び第2当接部12が、互いに折れ曲がりながら連続しているので、セパレータ4におけるシール部材Sの配置部分の機械的強度が高められる。これにより、燃料電池スタックFSは、シールラインの変位をより確実に抑制して、シール機能のさらなる向上に貢献し得る。
〈第4実施形態〉
 図8に要部を示す燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の基本構成を備えると共に、シール部材Sを横断する断面において、第1当接部11が、シール部材Sを保持する溝部16を有している。よって、溝部16は、シール部材Sに沿う方向に連続している。図示の溝部16は、第1当接部11の両端側に突起16A,16Aを形成して、両突起16A,16Aの間を凹状に形成したものである。
 また、上記の燃料電池スタックFSは、セパレータ4が、図中左側の一方側では、連接部13と第2当接部12とが直接連続しており、他方側では、連接部13と第2当接部12とが、屈曲部15を介して連続したものとなっている。
 上記構成を備えた燃料電池スタックFSは、例えば、ガラス材や樹脂等から成るシール部材S、すなわち塗布後に硬化してシール機能を発揮するシール部材Sを用いる場合に、そのシール部材Sを溝部16に塗布する。この燃料電池スタックFSでは、運転時の高温でシール部材Sが軟化した場合に、その流出を防止することができ、シール部材Sを溝部16に留めて封止機能を維持することができる。
 また、上記の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の作用効果が得られるうえに、セパレータ4の第1当接部11が、溝部16及び両側の突起16A,16Aによって表裏反転した凹凸状に形成されるので、機械的強度が高められる。これにより、シールラインの変位を抑制し、シール機能のさらなる向上を図ることができる。
〈第5実施形態〉
 先述した第1実施形態(図2、図3参照)では、連接部13と第2当接部12とが角度α1を成すように連続した構成を例示した。これに対して、図9に要部を示す燃料電池スタックFSは、連接部13が下端側で湾曲しており、その曲線を介して第2当接部12に連続している。
 ここで、本発明の燃料電池スタックFSは、各第2当接部12と連接部13とが成す角度α1を90度よりも大きくしたものである。この実施形態の燃料電池スタックFSは、連接部13の下端が湾曲しているので、厳密には、連接部の直線部分の延長線(図9にはオフセットした位置に示している)と第2当接部12とが成す角度α1を90度よりも大きくしている。
 上記の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様に、例えば、図9中に太い矢印で示すように、層間に圧縮方向の力が生じた場合には、左側の細い矢印で示すように、その力が連接部13を介して第2当接部12に伝達され、この際、第2当接部12が固定部14でフレーム2に固定されているので、凸形状が潰れることなく維持される。また、燃料電池スタックFSでは、連接部13と第2当接部12とが曲線で連続しているので、第1当接部11に加わる力が、曲線に沿って第2当接部12に滑らかに伝達される。
 上記の燃料電池スタックFSにあっても、先の実施形態と同様に、セパレータ4の変位を抑制しつつシール部材Sに負荷が直接的に加わるのを防止して、良好なシール機能をより確実に維持することができる。
〈第6実施形態〉
 図10に要部を示す燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の基本構成を有すると共に、セパレータ4において、夫々の第2当接部12,12と連接部13,13とが成す角度α1を90度よりも小さくした構成である。これにより、セパレータ4は、第1当接部11を頂部とする逆台形の凸形状を形成している。
 上記セパレータ4は、第1当接部11と第2当接部12とが実質的に平行であるから、第1当接部11と連接部13とが成す角度α2も90度より小さいものとなる。また、上記の各角度α1,α2は、第1当接部11の両側において夫々等しい角度である。
 上記構成を備えた燃料電池スタックFSでは、例えば、図10中の太い矢印で示すように、積層方向の圧縮荷重を受けた場合、同図中の細い矢印で示すように、連接部13に沿って傾斜した下向きの力が発生する。その力は、凸形状の垂直下に向く力と、凸形状の中心に向く力となる。また、反力(抗力)は、各矢印とは逆向きである。
 この際、燃料電池スタックFSは、固定部14により第2当接部12がフレーム2に固定してあるので、第2当接部12の位置が変わることはなく、また、凸形状の左右から中心に向く力が相殺され、結果としてセパレータ4の凸形状を維持する。これにより、上記の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様に、セパレータ4の変位を抑制しつつシール部材Sに負荷が直接的に加わるのを防止して、良好なシール機能をより確実に維持することができる。
 なお、第1~5の実施形態では、第2当接部12と連接部13とが成す角度α1を90度よりも大きいものとし、第6実施形態では、第2当接部12と連接部13とが成す角度α1を90度よりも小さいものとした。本発明に係わる燃料電池スタックFSは、第2当接部12と連接部13とが成す角度α1を90度にすることも構わない。
 この場合、燃料電池スタックFSは、連接部13に作用する下向きの力が、フレーム2に直接伝わると共に、固定部14により第2当接部12の変位が阻止されているので、セパレータ4の凸形状を維持する。これにより、燃料電池スタックFSは、セパレータ4の変位を抑制しつつシール部材Sに負荷が直接的に加わるのを防止して、良好なシール機能をより確実に維持する。
 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。
FS 燃料電池スタック
S シール部材
1 発電領域
2 フレーム
3 セル構造体
4 セパレータ
11 第1当接部
12 第2当接部
13 連接部
14 固定部
15 屈曲部
16 溝部

Claims (7)

  1.  発電領域の周囲にフレームを備えたセル構造体と、セパレータとを交互に積層した構造を有する燃料電池スタックであって、
     前記セパレータの両面側に配置した前記セル構造体のうちの一方のセル構造体のフレームと前記セパレータとの周縁部同士の間を封止するシール部材を備えており、
     前記セパレータは、前記シール部材を横断する断面において、
     前記シール部材に当接する第1当接部と、前記第1当接部の両側で他方のセル構造体のフレームに当接する夫々の第2当接部と、前記第1当接部の両端と前記夫々の第2当接部とを連接するための夫々の連接部とを備えて、前記第1当接部を頂部とする凸形状を形成すると共に、
     夫々の前記第2当接部は、他方のセル構造体のフレームとの固定部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
  2.  夫々の前記第2当接部と連接部とが成す角度を90度よりも大きくした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.  夫々の前記第2当接部と連接部とが成す角度を等しくした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.  前記他方のセル構造体におけるフレームの線膨張係数が、前記セパレータの線膨張係数よりも大きい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.  前記第2当接部における固定部が、他方のセル構造体のフレームとの溶接部で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.  前記セパレータが、少なくとも一方の連接部と第2当接部との間に、相対向するフレーム同士を支持する屈曲部を連続的に有してい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.  前記第1当接部が、前記シール部材を保持する溝部を有していることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
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