(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】燃料電池１００を構成するために積層される発電モジュール１１０は、２つの膜電極接合体１１，１２と、３枚のセパレータ２１〜２３とを備える。各セパレータ２１〜２３の両面には、並列する流路溝が設けられている。また、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。発電モジュール１１０は、燃料電池１００を構成する際に、発電モジュール１１０の第１のセパレータ２１の外表面に設けられた流路溝が、隣接する発電モジュール１１０の第３のセパレータ２３の流路溝と対向して冷媒のための冷媒流路３３を形成するように、オフセットして配置される。接着シール部４０には、隣接する発電モジュール１１０に対する配置位置を決めるための位置決め機構として２つの凹部４２ａ，４２ｂと凸部４５とが設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電モジュールが積層された燃料電池スタックであって、
前記発電モジュールは、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、複数の並列する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、前記発電モジュールにおいて、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ており、
前記発電モジュールは、前記燃料電池スタックを構成する際に、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が、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するように、前記流路溝が並列する方向にオフセットして配置され、
前記シール部には、前記隣接する発電モジュールに対する配置位置を決めるための位置決め機構が設けられている、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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］
複数の発電モジュールが積層された燃料電池スタックであって、前記発電モジュールは、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、複数の並列する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、前記発電モジュールにおいて、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ており、前記発電モジュールは、前記燃料電池スタックを構成する際に、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が、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するように、前記流路溝が並列する方向にオフセットして配置され、前記シール部には、前記隣接する発電モジュールに対する配置位置を決めるための位置決め機構が設けられている、燃料電池スタック。
この燃料電池スタックによれば、発電モジュールを互いにオフセットして積層する場合であっても、シール部に設けられた位置決め機構によって、発電モジュールの配置位置がずれてしまうことを抑制することができる。従って、燃料電池スタックにおける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】燃料電池スタックの構成を示す概略図。
【図２】比較例の燃料電池スタック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、併走する複数の直線状の流路溝（凹部）が形成されている。なお、各流路溝は、同程度の幅ｘを有するように設けられている。また、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２２，２３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ある。なお、各セパレータ２１，２２，２３のそれぞれの流路溝の深さは同程度であるものとしても良く、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の電極面と第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。なお、接着シール部４０には、反応ガスのためのマニホールドが設けられるとともに、マニホールドと各発電モジュール１１０の水素流路３１ａ，３１ｂおよび酸素流路３２ａ，３２ｂとを連通する連通流路が設けられているが、その図示および説明は省略する。
【００１６】
接着シール部４０の第１の面には、燃料電池１００の積層方向（以後、単に「積層方向」と呼ぶ）に沿って突出する凸部４５が設けられている。また、接着シール部４０の第２の面には、第１と第２の凹部４２ａ，４２ｂが設けられている。凸部４５は、発電モジュール１１０が、燃料電池１００を構成するために積層されたときに、隣接する発電モジュール１１０に設けられた２つの凹部４２ａ，４２ｂのいずれか一方に勘合する。凸部４５および２つの凹部４２ａ，４２ｂのより具体的な構成および機能については後述する。
【００１７】
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、それぞれの配置位置を交互に反対方向へとオフセットさせて積層される。具体的には、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、第１と第３のセパレータ２１，２３の外表面に設けられた流路溝が並列する方向に沿って１つ分の流路溝の幅ｘだけオフセットされた位置に配置される。これによって、発電モジュール１１０の第１と第３のセパレータ２１，２３の外表面に設けられた流路溝は、隣接する発電モジュール１１０の第１または第３のセパレータ２１，２３の外表面に設けられた流路溝と互いに対向し合い、流路３３が形成される。この各発電モジュール１１０同士の間に形成された流路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。流路３３を以後、「冷媒流路３３」と呼ぶ。
【００１８】
ここで、接着シール部４０に設けられた２つの凹部４２ａ，４２ｂは、発電モジュール１１０のオフセットされる方向（以後、単に「オフセット方向」と呼ぶ）に、流路溝の幅ｘの２倍の間隔で並列に設けられている。また、凸部４５は、発電モジュール１１０を積層方向に沿って見たときに、２つの凹部４２ａ，４２ｂの中央に位置するように設けられている。これによって、上記のように、各発電モジュール１１０同士が交互に流路溝の幅ｘだけオフセットされて積層される場合には、凸部４５が、２つの凹部４２ａ，４２ｂのいずれかに勘合する。即ち、凸部４５および２つの凹部４２ａ，４２ｂは、複数の発電モジュール１１０を互いにオフセットさせて積層する際に、各発電モジュール１１０の配置位置を定めるための位置決め機構として機能する。なお、凸部４５は、電極を含む発電領域を囲む環状部材として構成することにより、各発電モジュール１１０同士の境界からの流体の漏洩を防止するためのシールガスケットとして機能させることも可能である。
【００１９】
また、燃料電池１００には、各発電モジュール１１０の配置位置がずれてしまうことを抑制するためにガイド部５０が設けられている。ガイド部５０は、オフセット方向における発電モジュール１１０の両外側において、燃料電池１００の積層方向に渡って延びる軸部材である。ガイド部５０は、各発電モジュール１１０がオフセット方向に過剰に移動してしまうことを抑制する。なお、ガイド部５０は、燃料電池１００の積層方向の両端部に配置されるエンドプレート（図示せず）に連結させることにより、各発電モジュール１１０に対して積層方向に沿った締結力を付与するための締結シャフトとして機能させることも可能である。
【００２０】
図２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２は、ガイド部５０が省略されている点と、第１と第２の凹部４２ａ，４２ｂに換えて単一の凹部４２が設けられており、各発電モジュール１１０ａが互いにオフセットされず配置されている点以外は、図１とほぼ同じである。この比較例の燃料電池１００ａを構成する発電モジュール１１０ａの凹部４２は、積層方向に沿って見たときに、凸部４５と重なる位置に設けられている。従って、隣り合う発電モジュール１１０ａの凸部４５と凹部４２とを勘合させると、各発電モジュール１１０ａはオフセットされずに、直列に積層される。
【００２１】
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。そして、各発電モジュール１１０の間には分断された冷媒流路３３ａ，３３ｂが形成される。これらの冷媒流路３３ａ，３３ｂの流路断面積は、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いため、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可能性がある。
【００２２】
また、比較例の燃料電池１００ａでは、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１１０ａ間における接触抵抗は増大してしまう。従って、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。即ち、発電効率の低下を抑制するためにも、本実施例の燃料電池１００のように、隣り合う発電モジュール１１０同士を、流路溝の幅ｘだけ互いにオフセットさせて積層して冷媒流路３３を形成する方が好ましい。
【００２３】
このように、本実施例の燃料電池１００によれば、各発電モジュール１１０に設けられた２つの凹部４２ａ，４２ｂと凸部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の配置位置がずれてしまうことを抑制できる。従って、燃料電池１００における発電モジュール１１０の組み付け性が向上する。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、本実施例の燃料電池１００は、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小型化することが可能である。さらに、本実施例の燃料電池１００では、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が抑制されている。
【００２４】
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。なお、２Ｎ＋１枚のセパレータはそれぞれ、流路溝の深さが同じであるものとしても良いし、異なるものとしても良い。
【符号の説明】
【００２５】
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
３２ｂ…第２の酸素流路
３３,３３ａ，３３ｂ…冷媒流路
４０…接着シール部
４２，４２ａ，４２ｂ…凹部
４５…凸部
５０…ガイド部
１００，１００ａ…燃料電池
１１０，１１０ａ…発電モジュール
【図１】
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【図２】
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