(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却水中に水素が混入することを抑制する燃料電池スタックを提供する。【解決手段】支持フレーム１８及びセパレータ２０、４０を貫通した複数の反応ガスマニホールドと冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとが形成され、前記セパレータは、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドの一方を包囲する第１ビードシール部２４２、４４２と、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記第１ビードシール部を包囲する第２ビードシール部２５２、４５２を有し、前記第１及び第２ビードシール部の間で、前記支持フレーム及びセパレータの少なくとも一方に貫通孔１８２が設けられている、燃料電池スタック１。【選択図】図４
2020149804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電する複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、
前記複数の単セルの少なくとも一つは、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を支持する支持フレームと、
アノードセパレータ及びカソードセパレータを含み、前記膜電極接合体及び支持フレームに対向した一対のセパレータと、を備え、
前記支持フレーム及び一対のセパレータには、当該支持フレーム及び一対のセパレータを貫通した複数の反応ガスマニホールドと冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとが形成され、
前記一対のセパレータは、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドの一方を包囲する第１ビードシール部と、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記第１ビードシール部を包囲する第２ビードシール部と、前記第１及び第２ビードシール部及び前記複数の反応ガスマニホールドを包囲する外周ビードシール部と、を有し、
前記第１及び第２ビードシール部の間で、前記支持フレーム及び一対のセパレータの少なくとも一方に貫通孔が設けられている、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックでは、一対のセパレータには外周ビードシール部が設けられている。外周ビードシール部は、冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドは包囲せずに、複数の反応ガスマニホールドを包囲し、一対のセパレータの外周縁に沿うように延びている。このため、一対のセパレータの間に形成された、冷却水入口マニホールドから冷却水出口マニホールドにまで冷却水を案内する流路溝は、外周ビードシール部の内部と連通する。このため冷却水の一部は、外周ビードシール部内を流れる。ここで、外周ビードシール部は、上述したように一対のセパレータの外周縁に沿って延びているため、膜電極接合体から離れた位置にある。従って、外周ビードシール部内を流れる冷却水は、膜電極接合体の冷却には寄与せず、冷却効率が低下する可能性がある。このような冷却効率の低下を抑制するために、外周ビードシール部内に予め充填物を充填しておき、外周ビードシール部内に冷却水が流れることを防止する技術がある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５３５９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように充填物を用いずに冷却効率を確保するためには、外周ビードシール部を、冷却水マニホールドを含めて包囲するように設けることが考えられる。これにより、冷却水を案内する流路溝は、外周ビードシール部内と連通しないため、外周ビードシール部内には冷却水が混入しない。しかしながらこのような構成においては、冷却水入口マニホールド内の冷却水と反応ガスとは、冷却水入口マニホールドのみを包囲する単一のビードシール部を介してシールされる。同様に、冷却水出口マニホールド内の冷却水と反応ガスとは、冷却水出口マニホールドのみを包囲する単一のビードシール部を介してシールされる。このため、このような単一のビードシール部を介して、例えば燃料ガス中の水素が冷却水中に混入する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、冷却水中に水素が混入することを抑制する燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電する複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの少なくとも一つは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を支持する支持フレームと、アノードセパレータ及びカソードセパレータを含み、前記膜電極接合体及び支持フレームに対向した一対のセパレータと、を備え、前記支持フレーム及び一対のセパレータには、当該支持フレーム及び一対のセパレータを貫通した複数の反応ガスマニホールドと冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとが形成され、前記一対のセパレータは、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドの一方を包囲する第１ビードシール部と、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記第１ビードシール部を包囲する第２ビードシール部と、前記第１及び第２ビードシール部及び前記複数の反応ガスマニホールドを包囲する外周ビードシール部と、を有し、前記第１及び第２ビードシール部の間で、前記支持フレーム及び一対のセパレータの少なくとも一方に貫通孔が設けられている、燃料電池スタックによって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
冷却水中に水素が混入することを抑制する燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。
【図２】図２は、上方側から見た場合でのセパレータの概略図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。
【図４】図４は、図２のＢ−Ｂ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。
【図５】図５は、第１変形例の燃料電池スタックの部分断面図である。
【図６】図６は、第２変形例の燃料電池スタックの部分断面図である。
【図７】図７は、第３変形例の燃料電池スタックの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。またＸ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。＋Ｚ方向は、鉛直上方向に相当するが、これに限定されない。
【００１０】
燃料電池スタック１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０よりも＋Ｚ方向側に配置されてＭＥＧＡ１０に対向している。セパレータ４０は、ＭＥＧＡ１０及び支持フレーム１８とは反対側でカソードセパレータ２０に対向している。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。
【００１１】
セパレータ２０及び４０、及び支持フレーム１８には、孔ａ１〜ａ６が貫通するように形成されている。セパレータ２０及び４０、及び支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。孔ａ１は、カソード入口マニホールドを画定する。孔ａ２は、冷却水入口マニホールドを画定する。孔ａ３は、アノード出口マニホールドを画定する。孔ａ４は、アノード入口マニホールドを画定する。孔ａ５は、冷却水出口マニホールドを画定する。孔ａ６は、カソード出口マニホールドを画定する。
【００１２】
ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路部２１ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面とは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部２１ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。また、流路部２１ａと対向するセパレータ４０にも、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部４１ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路部４１ａとは反対側の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通し燃料ガスが流れるアノード流路部４１ｂが形成されている。流路部２１ａ及び２１ｂは、セパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路部４１ａ及び４１ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。
【００１３】
流路部２１ａは、セパレータ４０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部４１ａは、セパレータ２０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部２１ｂは、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部４１ｂは、図示はしていないが、セパレータ２０とは反対側でセパレータ４０に隣接するＭＥＧＡから退避するように凹んだ複数の溝から構成される。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。
【００１４】
セパレータ２０及び４０には、それぞれ、外周縁に沿って延びた外周ビードシール２２及び４２が形成されている。セパレータ２０の孔ａ１〜ａ６周りにはそれぞれ、ビードシール２４１〜２４６が形成されている。セパレータ４０の孔ａ１〜ａ６周りにもそれぞれ、ビードシール４４１〜４４６が形成されている。ビードシール２４１〜２４６は、それぞれビードシール４４１〜４４６にＺ方向で重なる位置に設けられている。これらのビードシールは、孔ａ１〜ａ６からの反応ガスや冷却水の漏れを防止する。ビードシール２４１〜２４６及び４４１〜４４６は、Ｚ方向で支持フレーム１８に重なる位置にあるがＭＥＧＡ１０には重ならない位置に設けられている。また、セパレータ２０には、ビードシール２４２及び２４５をそれぞれ包囲するビードシール２５２及び２５５が形成されている。同様に、セパレータ４０には、ビードシール４４２及び４４５をそれぞれ包囲するビードシール４５２及び４５５が形成されている。ビードシール２４２、２５２、２４５、及び２５５は、それぞれビードシール４４２、４５２、４４５、及び４５５にＺ方向で重なる位置に設けられている。ビードシール２４２及び４５２は、第１ビードシール部の一例であり、ビードシール２５２及び４５２は、第２ビードシール部の一例である。ビードシール２４５及び４４５は、第１ビードシール部の一例であり、ビードシール２５５及び４５５は、第２ビードシール部の一例である。
【００１５】
外周ビードシール２２は、セパレータ２０の孔ａ１〜ａ６、ビードシール２４１〜２４６やビードシール２５２及び２５５を包囲している。外周ビードシール４２は、セパレータ４０の孔ａ１〜ａ６、ビードシール４４１〜４４６やビードシール４５２及び４５５を包囲している。外周ビードシール２２及び４２は、冷却水や燃料ガス、酸化剤ガスが外部に漏れることを防止する機能を有している。
【００１６】
流路部２１ａのうちの幾つかの溝は、孔ａ２からビードシール２５２に連通して延びている。同様に、流路部２１ａのうちの幾つかの溝は、ビードシール２４５に連通して孔ａ５に延びている。流路部４１ａについても同様である。
【００１７】
支持フレーム１８の孔ａ２の近傍には、３つの貫通孔１８２が設けられている。同様に支持フレーム１８の孔ａ５の近傍には、３つの貫通孔１８５が設けられている。詳しくは後述する。
【００１８】
図２は、上方側から見た場合でのセパレータ２０の概略図である。図２では、セパレータ２０に重なるＭＥＧＡ１０の外形を点線で示している。また、図２には、支持フレーム１８の貫通孔１８２及び１８５を点線で示している。
【００１９】
図３は、図２のＡ−Ａ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。図３及び図４では、単セル２と、単セル２よりも−Ｚ方向側に配置された単セル２ａと、単セル２よりも＋Ｚ方向側に配置された単セルの支持フレーム１８とを図示し、その他の単セルについては省略してある。尚、単セル２と単セル２ａとは、便宜上異なる符号を付しているにすぎず、同一の構造を有している。単セル２ａは、単セル２よりも−Ｚ方向側に配置されている。
【００２０】
ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。
【００２１】
触媒層１４ａは、電解質膜１２の一方の面の略全面にわたって形成されている。触媒層１４ｃは、電解質膜１２の他方の面の中央部に形成され、電解質膜１２の周縁領域には形成されていない。拡散層１６ａは、その端部が、触媒層１４ａの端部に略揃う位置に設けられる。拡散層１６ｃは、その端部が触媒層１４ｃの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられており、これにより、電解質膜１２の周縁領域が露出するように設けられている。電解質膜１２の周縁領域に、支持フレーム１８の内周部が接合されている。
【００２２】
図３に示すように、単セル２の流路部２１ａを構成する溝は、孔ａ２からビードシール２４２及び２５２に連通してＭＥＧＡ１０側に延びている。同様に単セル２の流路部４１ａを構成する溝は、孔ａ２からビードシール４４２及び４５２に連通してＭＥＧＡ１０側に延びている。
【００２３】
図３及び図４に示すように、単セル２のビードシール２４２及び２５２は、弾性部材であるゴム５を介して単セル２の支持フレーム１８に当接している。単セル２のビードシール４４２及び４５２は、同様にゴム５を介して単セル２の＋Ｚ方向側に配置された他の単セルの支持フレーム１８に当接している。
【００２４】
図４に示すように、単セル２のビードシール２５２の外側であって支持フレーム１８との間には酸化剤ガスが充満している。同様に、単セル２ａのビードシール４５２の外側であって単セル２の支持フレーム１８との間には燃料ガスが充満している。例えば、ビードシール２５２と支持フレーム１８との間のシール性が低下した場合、ビードシール２５２の外側から、ビードシール２５２及び２４２の間であって支持フレーム１８に包囲された空間Ｓ２内に酸化剤ガスが漏れた場合であっても、ビードシール２４２により、孔ａ２側に酸化剤ガスが漏れることが防止される。同様に、ビードシール４５２の外側から、ビードシール４５２及び４４２の間であって支持フレーム１８に包囲された空間Ｓ４内に燃料ガスが漏れた場合であっても、ビードシール４４２により、孔ａ２側に燃料ガスが漏れることが防止される。このように、孔ａ２周りにビードシールが２重に設けられているため、反応ガスが冷却水中に漏れることが防止されている。
【００２５】
更に、単セル２のビードシール２５２及び２４２と支持フレーム１８とにより包囲される空間Ｓ２と、単セル２ａのビードシール４５２及び４４２と単セル２の支持フレーム１８とにより包囲される空間Ｓ４とは、単セル２の支持フレーム１８に形成された貫通孔１８２により連通している。このため連通した空間Ｓ２及びＳ４内では、酸化剤ガスと燃料ガスとが混入している。即ち、空間Ｓ２及びＳ４内では、燃料ガスは酸化剤ガスにより希釈化され、空間Ｓ２及びＳ４内での水素分圧は、ビードシール４５２の外側での水素分圧よりも低下している。このため、仮に空間Ｓ２及びＳ４内のガスが孔ａ２側に漏れたとしても、冷却水中に混入される水素は少なくて済む。このように、冷却水中に水素が混入することが抑制されている。
【００２６】
［第１変形例］
次に、複数の変形例について説明する。複数の変形例については、上述した本実施例の構成と同一の構成については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５は、第１変形例の燃料電池スタック１Ａの部分断面図である。図５は、図４に対応している。燃料電池スタック１Ａの単セル２Ａでは、セパレータ２０Ａのビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間にはゴム５が設けられておらず、ビードシール２５２Ａは、ビードシール２４２よりもゴム５の厚みの分だけ−Ｚ方向への突出量が大きく設定されている。このため単セル２Ａの空間Ｓ２と単セル２Ａａの空間Ｓ４内は、ビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間から流入した酸化剤ガスで充満している。このように空間Ｓ２及びＳ４内には酸化剤ガスが充満して酸素分圧が既に高い状態にあり、燃料ガスが空間Ｓ４内に漏れたとしても、空間Ｓ２及びＳ４内での水素分圧は低い状態となる。これにより、空間Ｓ２及びＳ４内のガスが孔ａ２側に漏れたとしても、冷却水中に混入する水素の量は抑制される。
【００２７】
尚、第１変形例では、ビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間にはゴムは設けられていないが、例えば、部分的にビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間の一部分だけゴムが設けられていない領域があるように構成してもよい。
【００２８】
［第２変形例］
図６は、第２変形例の燃料電池スタック１Ｂの部分断面図である。図６は、図４に対応している。燃料電池スタック１Ｂの単セル２Ｂのセパレータ２０Ｂ及び４０Ｂは、貫通した貫通孔ａ８が形成されている。貫通孔ａ８は、ビードシール２５２及び２４２の間であってビードシール４５２及び４４２の間にある。また、単セル２Ｂの支持フレーム１８Ｂには、上述した貫通孔１８２は形成されていない。このため、単セル２Ｂの空間Ｓ２及びＳ４は、貫通孔ａ８を介して連通する。このような構成によっても、空間Ｓ２及びＳ４内の水素分圧は低下する。これにより、空間Ｓ２及びＳ４内のガスが孔ａ２側に漏れたとしても、冷却水中に混入する水素の量は抑制される。尚、単セル２Ｂａについても同様である。
【００２９】
［第３変形例］
図７は、第３変形例の燃料電池スタック１Ｃの部分断面図である。図７は、図４に対応している。燃料電池スタック１Ｃの単セル２Ｃでは、セパレータ２０Ｂ及び４０Ｂ、及び支持フレーム１８が採用されている。単セル２Ｃａも同様である。また、これら複数の単セルの一端部に積層された集電板５０、インシュレータ６０、及びエンドプレート７０には、それぞれ互いに連通した貫通孔５２、６２、及び７２が形成されている。このため、空間Ｓ２及びＳ４内のガスは、貫通孔５２、６２、及び７２を介して燃料電池スタック１Ｃの外部へと排出される。このため、空間Ｓ２及びＳ４内のガスの水素分圧が高くなる前に外部へとガスが排出されるため、冷却水中に水素が混入することが抑制されている。
【００３０】
第３変形例では、積層された複数の単セルの一端側に配置された集電板５０、インシュレータ６０、及びエンドプレート７０にそれぞれ形成された貫通孔５２、６２、及び７２を介してガスが外部へと排出される場合を例に示したが、複数の単セルの他端側に配置された集電板、インシュレータ、及びエンドプレートに、同様の貫通孔を設けてもよい。
【００３１】
［その他］
図１及び図２に示したように支持フレーム１８の貫通孔１８２は、孔ａ２と、孔ａ２の近傍の短辺との間に位置しているが、これに限定されず、ビードシール２５２及び４５２とビードシール２４２及び４４２との間であれば、例えば孔ａ２と孔ａ１との間に設けられていてもよいし、孔ａ２と孔ａ３との間であってもよいし、孔ａ２とセパレータ２０の中央部との間であってもよい。また、貫通孔１８２の数や大きさは問わない。貫通孔１８５についても同様である。また、図６に示した貫通孔ａ８についても同様である。また、孔ａ２及びａ５側にそれぞれ貫通孔１８２及び１８５が設けられているが、これに限定されず、孔ａ２側にのみ貫通孔１８２が設けられていてもよいし、孔ａ５側にのみ貫通孔１８５が設けられていてもよい。貫通孔ａ８についても同様である。
【００３２】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料電池スタック
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ  単セル
１０  膜電極ガス拡散層接合体
１８、１８Ｂ  支持フレーム
１８２  貫通孔
ａ８  貫通孔
２０、４０  セパレータ
２４２、４４２、２５２、４５２  ビードシール
Ｓ２、Ｓ４  空間
【図１】
2020149804.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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