(57)【要約】【課題】熱膨張等による燃料電池スタックの積層方向に沿った変位の吸収量を大きくすることを目的とする。【解決手段】本発明は、電解質膜１１ａと、電解質膜１１ａの表裏両面に設けられた電極１１ｂ，１１ｃと、電極１１ｂ，１１ｃのそれぞれの表面に設けられるセパレータ１２と、を含む単セル１を複数重ね合わせた燃料電池スタック１０であって、セパレータ１２は、溝状の第１反応ガス流路３３を有する第１プレート３０と、底面部２３ａが第１反応ガス流路３３の中央部へ向かって一定の角度で傾斜し、第１反応ガス流路３３の背面と線接触する第２反応ガス流路２３を有する第２プレート２０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の表裏両面に設けられた電極と、
前記電極のそれぞれの表面に設けられるセパレータと、
を含む単セルを複数重ね合わせた燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、
溝状の第１反応ガス流路を有する第１プレートと、
底面部が前記第１反応ガス流路の中央部へ向かって一定の角度で傾斜し、前記第１反応ガス流路の背面と線接触する第２反応ガス流路を有する第２プレートと、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１反応ガス流路の底面は、平らである
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１反応ガス流路の底面は、前記第１反応ガス流路を流れる反応ガスが供給される電極側に向かって、中央部が膨出している
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１プレートは、前記第１反応ガス流路の背面の中央部に、その第１プレートの剛性を下げる溝状の切り込み部を有する
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第２プレートの板厚は、前記第１プレートの板厚よりも薄い
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１プレート及び第２プレートは、外縁部に、弾性部材によってガス漏れを抑制する圧縮シール部を有する
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
第１プレートとそれに隣接する第２プレートとを備える燃料電池用セパレータであって、
前記第１プレートは、溝状の第１反応ガス流路を有し、
前記第２プレートは、底面部が前記第１反応ガス流路の中央部へ向かって一定の角度で傾斜し、前記第１反応ガス流路の背面と線接触する第２反応ガス流路を有する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【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及び燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池スタックとして、電解質膜側に突出して反応ガス流路を形成する第２突起部と、カソードセパレータ側に突出する第３突起部と、を有するアノードセパレータを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。これにより、第３突起部とカソードセパレータを接触させて、熱膨張等による燃料電池スタックの積層方向に沿った変位を、その接触面を撓ませることで吸収していた。
【特許文献１】特開２００３−２４９２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池スタックは、アノードセパレータとカソードセパレータとを面接触させていた。そのため、熱膨張等による燃料電池スタックの積層方向に沿った変位によってカソードセパレータがアノードセパレータから荷重を受けても、カソードセパレータに発生する曲げモーメントが小さく、変位の吸収量が小さいという問題点があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、熱膨張等による燃料電池スタックの積層方向に沿った変位の吸収量を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００６】
本発明は、電解質膜と、電解質膜の表裏両面に設けられた電極と、電極のそれぞれの表面に設けられるセパレータと、を含む単セルを複数重ね合わせた燃料電池スタックである。そして、セパレータは、溝状の第１反応ガス流路を有する第１プレートと、底面部が前記第１反応ガス流路の中央部へ向かって一定の角度で傾斜し、前記第１反応ガス流路の背面と線接触する第２反応ガス流路を有する第２プレートと、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、隣接するセパレータを線接触させたので、セパレータに発生する曲げモーメントを大きくでき、熱膨張等による燃料電池スタックの積層方向に沿った変位の吸収量を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するシステムである。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜（以下「電解質膜」という）をアノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）とで挟み、アノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード電極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。これにより、アノード電極及びカソード電極の電解質膜側の表面で生じる以下の電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。
【００１０】
アノード電極  ：    ２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-           ・・・（１）
カソード電極  ：    ４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【００１１】
図１は、このような燃料電池システムとして、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５とを有する。
【００１３】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については後述する。
【００１４】
一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子６によって、各単セル１で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１５】
一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。
【００１６】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
【００１７】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。
【００１８】
ここで、アノードガス入口孔４２ａに燃料ガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００１９】
ナット５は、燃料電池スタック１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル同士の電気短絡を防止している。
【００２０】
以下では、図２を参照して、単セル１の構成の詳細について説明する。
【００２１】
図２は、単セル１の断面の一部を示す図である。
【００２２】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１と、その表裏両面に設けられるセパレータ１２と、を備える。
【００２３】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００２４】
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１ａの性能を引き出して発電効率を向上させるためには、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０に導入するアノードガスやカソードガスを加湿している。なお、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池スタック１０に導入した場合には電解質膜１１ａに不純物が蓄積し、発電効率が低下するためである。
【００２５】
アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００２６】
セパレータ１２は、アノードセパレータ２０と、カソードセパレータ３０と、を備える。
【００２７】
アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属を材料としたセパレータである。アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とは、それぞれ外縁にシール部２１，３１を有し、そのシール部同士を接着材により接着している。なお、接着するかわりに溶接してもよい。
【００２８】
アノードセパレータ２０は、アノード電極側へ突出して、頂面２２ａがアノード電極１１ｂと接する複数のリブ２２を備える。このリブ間に形成される空間がアノードガス流路２３となる。また、リブ２２の裏側の空間が、発電により暖められた燃料電池スタック１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２４となる。
【００２９】
カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極側へ突出して頂面３２ａがカソード電極１１ｃと接する複数のリブ３２を備え、リブ間にカソードガス流路３３が形成され、リブ３２の裏側に冷却水流路３４が形成される。
【００３０】
隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２４，３４は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２４，３４によって１つの冷却水流路４０が形成される。
【００３１】
ここで、アノードガス流路２３の底面部（以下「アノードガス流路底面部」という）２３ａは、カソードガス流路３３の底面部（以下「カソードガス流路底面部」という）３３ａの中心へ向かって一定の角度で傾斜しており、断面が略三角形状となっている。一方で、カソードガス流路底面部３３ａは平坦である。これにより、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とを重ね合わせたときに、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとが線接触する。
【００３２】
図３は、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとを線接触させたことによる作用効果について説明する図である。
【００３３】
燃料電池スタックは、所定の荷重（スタッキング荷重）で複数の単セル１を締め付けている。そのため、カソードセパレータ３０には、隣接するアノードセパレータ２０からの力が作用する。一方で、アノードセパレータ２０には、隣接するカソードセパレータ３０からの反力が作用する。
【００３４】
しかしながら、運転中の電極反応によって発生する熱や、アノードガス及びカソードガスに含まれる加湿水によって、単セル１が膨張するので、スタッキング荷重とは逆向きの積層方向に沿った力が作用する。
【００３５】
そうすると、所定のスタッキング荷重を確保できなくなり、燃料電池スタック１０が積層方向に沿った方向に拡大変位してしまうおそれがある。
【００３６】
そこで、従来は、燃料電池スタック１０の端部に皿ばね等を設け、単セル１の膨張によって発生するスタッキング荷重とは逆向きの積層方向に沿った力を相殺し、燃料電池スタック１０の変位を抑制していた。
【００３７】
これに対して本実施形態では、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとを線接触させたので、カソードガス流路底面部３３ａを両端が単純支持された梁とみなすと、面接触させる場合と比較して、梁に作用する直角方向の荷重の大きさを大きくすることができる。
【００３８】
これにより、梁の曲げモーメントが大きくなるので、カソードガス流路底面部３３ａの撓みを大きくすることができる。また、反力の大きさも大きくなるので、アノードガス流路底面部２３ａの撓みも大きくすることができる。
【００３９】
このように、アノードガス流路底面部２３ａ及びカソードガス流路底面部３３ａの撓みを大きくすることで、その撓みによって、単セル１の膨張によって発生するスタッキング荷重とは逆向きの積層方向に沿った力を相殺できる。したがって、皿ばね等が不要となるので、燃料電池スタック１０の小型化を図ることができる。また、単セル１の熱膨張等による燃料電池スタック１０の変位を抑制できる。
【００４０】
以上説明した本実施形態によれば、アノードガス流路底面部２３ａを一定の角度で傾斜させて、断面を略三角形の形状にした。そして、単セル１を積層したときに、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとが線接触する構成とした。
【００４１】
これにより、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとを面接触させる場合と比較して、燃料電池スタック１０に積層方向の力が加わったときにカソードガス流路底面部３３ａに作用する曲げモーメントを大きくすることができる。したがって、カソードガス流路底面部３３ａの撓みを大きくすることができる。そのため、熱膨張等によって単セル１が積層方向に変位したときに、カソードガス流路底面部３３ａの撓みによって吸収できる変位量を大きくすることができる。
【００４２】
また、燃料電池スタック１０は、所定の荷重（スタッキング荷重）で単セル１を締め付ける必要がある。そのため、従来は熱膨張等によって燃料電池スタック１０が積層方向に変位したときのスタッキング荷重を確保するために、燃料電池スタック１０の一端部に皿ばねなど弾性部材を設けていた。
【００４３】
これに対し、本実施形態によれば、熱膨張等による燃料電池スタック１０の積層方向の変位を、セパレータを撓ませることによって吸収できるので、従来のような皿ばねなどの弾性部材が不要となる。したがって、燃料電池スタック１０を小型化できる。
【００４４】
また、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとを線接触させているので、スタッキング荷重によって、その接触部位の変形が起きても、セパレータ間の接触面積が増加する方向にしか変化しない。つまり、セパレータ間の接触の仕方が線接触から面接触になる方向にしか変化せず、セパレータ間の接触抵抗が増加する方向にしか変化しない。したがって、単セル１のスタッキング時や、発電時のセル内面圧の変動があった時に、セパレータ２０，３０が幅方向にずれることがない。
【００４５】
また、アノードガス流路底面部２３ａを、カソードガス流路底面部３３ａの中心へ向かって一定の角度で傾斜させた。そのため、カソードガス流路底面部３３ａの中心部とアノードガス流路底面部２３ａとが線接触するので、カソードガス流路底面部３３ａに作用する曲げモーメントを最大にすることができる。
【００４６】
また、アノードガス流路底面部２３ａを、カソードガス流路底面部３３ａの中心へ向かって一定の角度で傾斜させるだけなので、アノードセパレータ２０に対する曲げ加工が少ない。そのため、アノードセパレータ２０に対する加工硬化の影響が少ない。したがって、アノードセパレータ２０の撓みも大きくすることができる。
【００４７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図４を参照して説明する。本実施形態は、カソードガス流路底面部３３ａの中央をカソード電極側に膨出させた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００４８】
図４は、本実施形態による単セル１の断面の一部を示す図である。
【００４９】
図４に示すように、本実施形態では、カソードガス流路底面部３３ａの中央部がカソード電極側（図中下側）に一定の角度で傾斜し、膨出している。つまり、カソードガス流路底面部３３ａの背面が凹んでいるので、各セパレータ２０，３０を重ね合わせたときに、アノードガス流路底面部２３ａとカソードガス流路底面部３３ａとの接触部位が自然にカソードガス流路底面部３３ａの中央部へと移動する（セルフアライメント効果）。そのため、カソードガス流路底面部３３ａの中央部とアノードガス流路底面部２３ａとが線接触するので、カソードガス流路底面部３３ａに作用する曲げモーメントを最大にすることができる。
【００５０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図５を参照して説明する。本実施形態は、カソードガス流路底面部３３ａの中央部の背面（アノードセパレータ２０との接触面）に切り込みを入れた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５１】
図５は、本実施形態による単セル１の断面の一部を示す図である。
【００５２】
図５に示すように、本実施形態では、カソードガス流路底面部３３ａの中央部の背面に溝状の切り込み３５を入れた。これにより、カソードガス流路底面部３３ａの剛性が低下するので、カソードガス流路底面部３３ａの撓みを一層大きくすることができる。
【００５３】
また、カソードセパレータ３０の背面側に切り込み３５を入れたので、その切り込み３５にカソード電極１１ｃでの反応によって生成した水が溜まることもなく、良好な排水性を確保できる。
【００５４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、アノードセパレータ２０の板厚を、カソードセパレータ３０の板厚よりも薄くした点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５５】
図６は、本実施形態による単セル１の断面の一部を示す図である。
【００５６】
図６に示すように、アノードセパレータ２０の板厚を薄くすることで、アノードセパレータ２０の断面二次モーメントを小さくすることができる。これにより、アノードガス流路底面部２３ａの撓みを大きくすることができる。したがって、単セル１の熱膨張等による燃料電池スタック１０の積層方向の変位のうち、セパレータ２０，３０を撓ませることによって吸収できる量を増やすことができる。また、アノードセパレータ２０の板厚を薄くすることで、単セル１を積層したときの燃料電池スタック全体の積層高さを小さくできる。
【００５７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を、図７を参照して説明する。本実施形態は、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０のシール部２１，３１のシール方法を接着又は溶接から圧縮シールにした点で相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５８】
図７は、本実施形態による単セル１の断面の一部を示す図である。
【００５９】
図７に示すように、本実施形態では、シール部同士をゴムなどの弾性部材４１によって圧縮シールする。これにより、熱膨張等によってアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０が撓んだときに、幅方向の変位も許容されるため、全体的な撓み量を増加させることができる。
【００６０】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００６１】
例えば、燃料電池スタック１０に積層方向の力が加わったときに、カソードガス流路底面部３３ａに作用する曲げモーメントを大きくできるので、カソードガス流路３３の流路幅を短くしても、カソードガス流路底面部３３ａの撓みを確保できる。そのため、アノードガス流路２３、カソードガス流路３３の流路幅を短くしてもよい。
【００６２】
アノードガス流路２３の流路幅を短くしたときに、アノードガス流路２３と電極１１ｂとの接触面積をアノードガス流路２３の流路幅を短くする前と同等の面積に保つためには、アノードガス流路２３の本数を増やす必要があり、したがってリブ２２の幅も短くする必要がある。
【００６３】
ここで、リブ２２の幅を短くすることができると、リブ２２を介して隣り合うアノードガス流路２３を流れる反応ガスのうち、リブ下のアノード電極１１ｂのガス拡散層を通って隣り合うアノードガス流路２３へと移動する反応ガスの割合が増加する。そのため、リブ下のアノード電極１１ｂにも反応ガスを供給しやすくなるので、発電性能を向上させることができる。カソードガス流路３３の流路幅を短くしたときも同様である。
【００６４】
また、上記実施形態では、アノードセパレータ２０のアノードガス流路底面部２３ａの略三角形の形状として、カソードセパレータ３０と線接触させていた。しかしながら、カソードセパレータ３０のカソードガス流路底面部３３ａを略三角形の形状として、アノードセパレータ２０と線接触させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】第１実施形態による単セルの断面の一部を示す図である。
【図３】アノードガス流路底面部とカソードガス流路底面部とを線接触させたことによる作用効果について説明する図である。
【図４】第２実施形態による単セルの断面の一部を示す図である。
【図５】第３実施形態による単セルの断面の一部を示す図である。
【図６】第４実施形態による単セルの断面の一部を示す図である。
【図７】第５実施形態による単セルの断面の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１    単セル
１０    燃料電池スタック
１１ａ  電解質膜
１１ｂ  アノード電極
１１ｃ  カソード電極
１２    セパレータ
２０    アノードセパレータ（第２プレート）
２１    圧縮シール部
２３    アノードガス流路（第２反応ガス流路）
２３ａ  アノードガス流路底面部（底面部）
３０    カソードセパレータ（第１プレート）
３１    圧縮シール部
３３    カソードガス流路（第１反応ガス流路）
３３ａ  カソードガス流路底面部（底面）
３５    切り込み（切り込み部）
【図１】
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【図２】
2010073622.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010073622.tif 000007
【図６】
2010073622.tif 000008
【図７】
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