(57)【要約】【課題】燃料電池において発電モジュールの組み付け性を向上する技術を提供する。【解決手段】発電モジュール１１０は、燃料電池１００において、配置方向を交互に反転させて積層される。発電モジュール１１０は、２つ膜電極接合体１１，１２と、流体のための流路溝が両面に設けられた３枚のセパレータ２１〜２３とを備える。各膜電極接合体１１，１２と各セパレータ２１〜２３とは交互に配置されるとともに接着シール部４０によって一体的に保持される。接着シール部４０の外周には、発電モジュール１１０の厚み方向に渡って延びるとともに、燃料電池１００を構成したときに、隣接する発電モジュール１１０の側まで突出する突起部４５が設けられている。突起部４５は、隣接する発電モジュール１１０の配置方向が反転されていなかった場合には、当該隣接する発電モジュール１１０に設けられた突起部４５と互いに接触して燃料電池の組み付けを妨げる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを構成するために積層される発電モジュールであって、積層される際に、隣接する発電モジュールに対して、積層方向と垂直な面上において１８０°回転した反転状態で積層可能なように構成された発電モジュールであり、
電解質膜の両面に電極が配置された発電体である２Ｎ（Ｎは自然数）個の膜電極接合体と、
流体のための流路溝が両面に設けられた２Ｎ＋１枚のセパレータと、
を備え、
前記２Ｎ個の膜電極接合体と前記２Ｎ＋１枚のセパレータとは、前記２Ｎ個の膜電極接合体のそれぞれが前記セパレータによって狭持されるように交互に配置されるとともに、外部への流体の漏洩を防止するために前記発電モジュールの外周を囲むように設けられたシール部によって一体的に保持され、
前記シール部の外周には、前記発電モジュールの厚み方向に渡って延びるとともに、前記燃料電池を構成したときに、隣接する発電モジュールの側まで突出する突起部が設けられており、
前記発電モジュールの最も外側に配置された最外部セパレータの外表面に設けられた前記流路溝は、前記燃料電池スタックが構成されたときに、前記反転状態にある前記隣接する発電モジュールの最外部セパレータの流路溝と対向して冷媒のための冷媒流路を形成し、
前記突起部は、前記燃料電池スタックを構成するために複数の前記発電モジュールを積層する工程において、隣接する発電モジュールが前記反転状態で配置されない場合には、前記隣接する発電モジュールに設けられた前記突起部と接触して前記燃料電池スタックの組み立てを妨げるように構成されている、発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は通常、複数の発電モジュールが積層されたスタック構造を有する（下記特許文献１等）。各発電モジュールは、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータとを有する。燃料電池の各発電モジュールには、水素や酸素などの反応ガスや反応熱を冷却するための冷媒などの流体が外部から供給される。
【０００３】
ところで、各発電モジュールを燃料電池スタックとして組み付ける際に、その配置位置や配置方向がずれてしまうと、燃料電池スタック内部における上記流体のシール性が低下したり、各発電モジュール間の接触抵抗が増大してしまう場合があった。しかし、これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７２１３２１号公報
【特許文献２】特許第３９６８２７８号公報
【特許文献３】特開２００２−２６０６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池スタックにおいて発電モジュールの組み付け性を向上する技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池スタックを構成するために積層される発電モジュールであって、積層される際に、隣接する発電モジュールに対して、積層方向と垂直な面上において１８０°回転した反転状態で積層可能なように構成された発電モジュールであり、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である２Ｎ（Ｎは自然数）個の膜電極接合体と、流体のための流路溝が両面に設けられた２Ｎ＋１枚のセパレータとを備え、前記２Ｎ個の膜電極接合体と前記２Ｎ＋１枚のセパレータとは、前記２Ｎ個の膜電極接合体のそれぞれが前記セパレータによって狭持されるように交互に配置されるとともに、外部への流体の漏洩を防止するために前記発電モジュールの外周を囲むように設けられたシール部によって一体的に保持され、前記シール部の外周には、前記発電モジュールの厚み方向に渡って延びるとともに、前記燃料電池を構成したときに、隣接する発電モジュールの側まで突出する突起部が設けられており、前記発電モジュールの最も外側に配置された最外部セパレータの外表面に設けられた前記流路溝は、前記燃料電池スタックが構成されたときに、前記反転状態にある前記隣接する発電モジュールの最外部セパレータの流路溝と対向して冷媒のための冷媒流路を形成し、前記突起部は、前記燃料電池スタックを構成するために複数の前記発電モジュールを積層する工程において、隣接する発電モジュールが前記反転状態で配置されない場合には、前記隣接する発電モジュールに設けられた前記突起部と接触して前記燃料電池スタックの組み立てを妨げるように構成されている、発電モジュール。
この発電モジュールによれば、燃料電池スタックを構成する際に、発電モジュールを誤った配置方向で積層しようとすると、当該発電モジュールの突起部と、隣接する発電モジュールに設けられた突起部とが干渉するため、発電モジュールが誤った配置方向で配置されてしまうことを抑制できる。従って、発電モジュールの組み付け性が向上する。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、その燃料電池スタックを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】発電モジュールの構成を示す概略図。
【図３】比較例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池スタック（以後、単に「燃料電池」とも呼ぶ）の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の発電モジュール１１０が積層されたスタック構造を有する。
【００１１】
発電モジュール１１０は、２つの膜電極接合体１１，１２と、３枚のセパレータ２１，２２，２３とを有している。各膜電極接合体１１，１２と各セパレータ２１，２２，２３とはそれぞれ交互に積層される。具体的には、第１のセパレータ２１、第１の膜電極接合体１１、第２のセパレータ２２、第２の膜電極接合体１２、第３のセパレータ２３の順で積層される。
【００１２】
２つの膜電極接合体１１，１２はそれぞれ、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の両面に電極（図示せず）が設けられた発電体である。なお、各電極には、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるためのガス拡散層が設けられていることが好ましい。また、各電極には、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されていることが好ましい。
【００１３】
３枚のセパレータ２１，２２，２３はそれぞれ、ガス不透過の導電性を有する板状部材（例えば金属板）によって構成される。各セパレータ２１，２２，２３は、各膜電極接合体１１，１２で発電された電気を集電するための集電部として機能する。また、各セパレータ２１，２２，２３は凹凸を有するように波板状に折り曲げられている。これによって、各セパレータ２１，２２，２３のそれぞれの両面には、併走する複数の流路溝（凹部）が、同じ数だけ、同程度の幅で形成されている。なお、図では、第１のセパレータ２１の流路溝の深さは、第２と第３のセパレータ２２の流路溝の深さよりも浅く形成されており、第２と第３のセパレータ２２，２３の流路溝の深さは同程度で形成されている。しかし、各セパレータ２１，２２，２３の流路溝の深さは全て同程度であるものとしても良いし、全て異なるものとしても良い。
【００１４】
ここで、発電モジュール１１０では、各セパレータ２１，２２，２３の流路溝と、各膜電極接合体１１，１２の電極面とで、反応ガスのための流路が形成される。具体的には、第１のセパレータ２１の流路溝と第１の膜電極接合体１１の電極面とで第１の水素流路３１ａが形成される。また、第１の膜電極接合体１１と第２のセパレータ２２の流路溝とで第１の酸素流路３２ａが形成される。さらに、第２のセパレータ２２の流路溝と第２の膜電極接合体１２の電極面とで第２の水素流路３１ｂが形成され、第２の膜電極接合体１２の電極面と第３のセパレータ２３の流路溝とで第２の酸素流路３２ｂが形成される。なお、水素流路３１ａ，３１ｂと酸素流路３２ａ，３２ｂとは、膜電極接合体１１，１２を挟んで、互いに対向するように構成されることが好ましい。
【００１５】
発電モジュール１１０の外周には、接着シール部４０が設けられている。この接着シール部４０は、各膜電極接合体１１，１２と各セパレータ２１，２２，２３とを一体的に接着して保持するとともに、発電モジュール１１０の外部への流体の漏洩を防止するためのものである。接着シール部４０は、接着剤によって形成されるものとしても良いし、射出成形によってシールガスケットとして形成されるものとしても良い。なお、接着シール部４０は、電極同士の短絡を防止するために非導電性であることが好ましい。
【００１６】
接着シール部４０には、ガスケット４２を配置するための凹部が設けられている。ガスケット４２は、燃料電池１００の外部への流体の漏洩を防止するため環状部材であり、互いに隣接する発電モジュール１１０同士の境界に配置される。なお、このガスケット４２は、各発電モジュール１１０が積層されたときに、各発電モジュール１１０同士の配置位置がずれてしまうことを抑制するための位置決め部としても機能する。
【００１７】
また、接着シール部４０の外周のうちの一辺には、突起部４５が設けられている。突起部４５は、第１のセパレータ２１の側から、第３のセパレータ２３の側へと、発電モジュール１１０の厚み方向（積層方向）に渡って延びるとともに、積層される発電モジュール１１０同士の境界より長さｘだけ突出している。この突起部４５の機能については後述する。
【００１８】
ところで、この燃料電池１００では、複数の発電モジュール１１０が、配置方向を交互に反転させて積層される。具体的には、各発電モジュール１１０は、隣接する発電モジュール１１０に対して、積層方向と垂直な面上において１８０°回転した反転状態で配置される。このように積層されることによって、各発電モジュール１１０同士の第１のセパレータ２１の凸部と第３のセパレータ２３の凸部とが直接的に接触する。また、互いに対向する第１のセパレータ２１の凹部と第３のセパレータ２３の凹部とが互いに対向し合い、併走する複数の流路３３が形成される。この流路３３には、燃料電池１００を冷却するために外部から供給される冷媒が流入する。この流路３３を以後、「冷媒流路３３」と呼ぶ。
【００１９】
図２は、図１における２−２切断における燃料電池１００の断面を示す概略断面図である。なお、図２では、第１のセパレータ２１の流路溝のハッチングを省略することにより、紙面に垂直な方向に沿って見たときの第１のセパレータ２１における凸部と区別して示してある。また、図２には、ガスケット４２によって形成されるシールラインを一点鎖線によって図示してある。
【００２０】
各発電モジュール１１０の接着シール部４０には、水素の供給用および排出用のマニホールド５１，５２と、酸素の供給用および排出用のマニホールド５３，５４と、冷媒の供給用および排出用のマニホールド５５，５６が貫通孔として設けられている。また、接着シール部４０には、各マニホールド５１〜５６を囲むシールラインと、各マニホールド５１〜５６と各流体流路３１〜３３（図１）とを連結する流路とが設けられているが、その図示および説明は省略する。各マニホールド５１〜５６は、流体の種類に応じたサイズで形成されるものとしても良い。なお、図では、水素用のマニホールド５１，５２が最も小さいサイズで設けられ、冷媒用のマニホールド５５，５６が最も大きいサイズで形成されているが、各マニホールド５１〜５６は、他のサイズで形成されるものとしても良い。
【００２１】
各マニホールド５１〜５６は、各供給用マニホールド５１〜５３と、各排出用マニホールド５４〜５６とが発電領域を挟んで対角するように設けられている。より具体的には、各マニホールド５１〜５６は、発電モジュール１１０の中心を対称中心として点対称に形成されている。従って、発電モジュール１１０を、紙面上下方向に反転するように１８０°回転させた場合には、供給用の各マニホールド５１〜５３の位置と排出用の各マニホールド５４〜５６の位置とが入れ替わる。即ち、上述したように、燃料電池１００を構成する際に、一部の発電モジュール１１０の配置方向を反転させて配置した場合であっても、全ての発電モジュール１１０の各マニホールド５１〜５６は連結される。なお、発電モジュール１１０では、各マニホールド５１〜５６以外に、発電領域の形状や、接着シール部４０に設けられるシールラインの形状などが、発電モジュール１１０の中心を対称中心として点対称に形成されることが好ましい。
【００２２】
図３は、本発明の比較例としての燃料電池１００ａの構成を示す概略図である。図３は、突起部４５が設けられていない点と、全ての発電モジュール１１０が、同じ配置方向で積層されている点以外は、図１とほぼ同じである。
【００２３】
この比較例の燃料電池１００ａでは、各発電モジュール１１０同士の境界において、第１のセパレータ２１の凸部と第３のセパレータ２３の流路溝とが互いに対向して、第１と第３のセパレータ２１，２３同士が接触する。従って、各発電モジュール１１０の間に形成される冷媒流路は、第３のセパレータ２３側の冷媒流路３３ａと第１のセパレータ２３側の冷媒流路３３ｂとに分断されて形成されてしまう。そのため、各冷媒流路３３ａ，３３ｂの流路断面積が、本実施例の燃料電池１００における冷媒流路３３の流路断面積より小さくなり、流入する冷媒の圧力損失が増大し、冷媒による冷却効率が低下してしまう。また、第１と第３のセパレータ２１，２３同士の接触面積が、本実施例の燃料電池１００の場合より減少してしまうため各発電モジュール１１０間における接触抵抗が増大してしまう。
【００２４】
即ち、この比較例の燃料電池１００ａでは、本実施例の燃料電池１００よりも発電効率が低下してしまう可能性がある。従って、本実施例の燃料電池１００のように、配置方向を１８０°回転させた発電モジュール１１０と、回転させていない発電モジュール１１０とを交互に積層する方が好ましい。
【００２５】
ここで、各発電モジュール１１０には突起部４５が設けられており、この突起部４５は、長さｘだけ隣り合う発電モジュール１１０同士の境界から突出している（図１）。そのため、燃料電池１００を構成するための発電モジュール１１０の積層工程において、発電モジュール１１０の配置方向を交互に反転させることなく積層しようとすると、各発電モジュール１１０の突起部４５同士が互いに接触して干渉し合う。従って、燃料電池１００の組み立ての際に、発電モジュール１１０が誤った配置方向で積層されることを抑制でき、発電モジュール１１０の組み付け性が向上する。
【００２６】
なお、突起部４５が各発電モジュール１１０の境界から突出する長さｘは、発電モジュール１１０の厚みｔより小さいことが好ましい（０＜ｘ＜ｔ）。これによって、配置方向が同じ発電モジュール１１０同士の突起部４５が干渉し合うことを回避できる。また、突起部４５には、突起部４５同士の接触を検出するセンサが設けられるものとしても良い。これによって、さらに、発電モジュール１１０の配置方向の誤りの発生を抑制でき、その組み付け性が向上する。
【００２７】
このように、本実施例の発電モジュール１１０によれば、ガスケット４２や突起部４５によって、燃料電池１００を構成する際の積層工程において、発電モジュール１１０が誤った配置位置や配置方向で積層されてしまうことを抑制できる。また、発電モジュール１１０は、２つの膜電極接合体１１，１２と３枚のセパレータ２１，２２，２３とで構成されており、燃料電池１００は、各発電モジュール１１０同士の境界に冷媒流路３３が設けられる。従って、本実施例の発電モジュール１１０によれば、各膜電極接合体ごとに冷媒流路が設けられる燃料電池に比較して、燃料電池１００を小型化することができる。さらに、本実施例の発電モジュール１１０によれば、燃料電池１００において各発電モジュール１１０同士の間に形成される冷媒流路３３の圧力損失の低下や、各発電モジュール１１０同士の間の接触抵抗の増大を抑制することができる。従って、燃料電池１００の発電効率の低下を抑制できる。
【００２８】
なお、本実施例の発電モジュール１１０は、２つの膜電極接合体１１，１２と、３枚のセパレータ２１，２２，２３とを有していたが、発電モジュール１１０は、さらに複数の膜電極接合体およびセパレータを有しているものとしても良い。即ち、発電モジュール１１０は、２Ｎ（Ｎは自然数）個の膜電極接合体と、２Ｎ＋１枚のセパレータとを有し、２Ｎ個の膜電極接合体のそれぞれがセパレータによって狭持されるように交互に配置されるものとしても良い。
【符号の説明】
【００２９】
１１…第１の膜電極接合体
１２…第２の膜電極接合体
２１…第１のセパレータ
２２…第２のセパレータ
２３…第３のセパレータ
３１ａ…第１の水素流路
３１ｂ…第２の水素流路
３２ａ…第１の酸素流路
３３,３３ａ，３３ｂ…冷媒流路
４０…接着シール部
４２…ガスケット
４５…突起部
５１〜５６…マニホールド
１００，１００ａ…燃料電池
１１０…発電モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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