(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、積層された複数の単セルを、比較的容易に、所望の位置で分離・分解できるようにする。【解決手段】複数の単セル１０を積層してなる燃料電池スタックにおいて、複数の単セル１０のうちの第１および第２の単セルを、第１および第２の単セルを積層したときに、第１の単セルに形成された冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の中心軸ＡＸと、第２の単セルに形成された冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の中心軸ＡＸとが互いに一致するとともに、第１の単セルに形成された冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状と、第２の単セルに形成された冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状とが、中心軸ＡＸを中心として、所定の回転方向に互いにずれるように形成する。【選択図】図３
2010251034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、
隣接する前記単セル間に形成され、前記単セルを冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路と、
複数の前記単セルにそれぞれ形成された互いに同一形状を有する貫通孔によって構成され、前記冷却媒体流路に連通し、前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給する、または、前記冷却媒体流路から前記冷却媒体が排出される冷却媒体マニホールドと、
前記隣接する単セル間に設けられ、前記隣接する単セルの間から前記燃料電池スタックの外部への前記冷却媒体の漏洩を防止するためのシール部材と、を備え、
前記複数の単セルのうちの第１および第２の単セルは、該第１および第２の単セルを積層したときに、前記第１の単セルに形成された前記貫通孔の中心軸と、前記第２の単セルに形成された前記貫通孔の中心軸とが互いに一致するとともに、前記第１の単セルに形成された前記貫通孔の形状と、前記第２の単セルに形成された前記貫通孔の形状とが、前記中心軸を中心として、所定の回転方向に互いにずれるように形成されている、
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ原として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。単セルは、概ね、膜電極接合体をセパレータによって挟持することによって構成される。
【０００３】
この燃料電池スタックでは、複数の単セルの積層方向についての両端部に、集電板と、絶縁板と、エンドプレートが配置され、燃料電池スタックの両端部に配置された一対のエンドプレートを、締結部材を用いて締結することによって、複数の単セルの積層方向に荷重が加えられる。そして、このような燃料電池スタックでは、燃料電池スタック内を流れるガスや冷却媒体の漏洩を防止するためのシール部材が、隣接する単セル間に設けられる場合がある。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックでは、複数の単セルのうちの一部の単セルのみにおいて、例えば、発電不良が生じた場合でも、燃料電池スタック全体が不良となるため、発電不良が生じた単セルを交換するために、燃料電池スタックを分解する場合がある。そこで、従来、燃料電池スタックの分解を容易に行うことができるようにするための種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４４７６５号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記シール部材としては、弾性を有するゴム等からなるガスケットが用いられることが多く、燃料電池スタックを長時間利用した場合には、上述した荷重や、ガスケットの経時劣化によって、ガスケットがセパレータに固着してしまう場合がある。この場合には、上記特許文献１に記載された技術によっても、燃料電池スタックの分解が困難となる。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、積層された複数の単セルを、比較的容易に、所望の位置で分離・分解できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、隣接する前記単セル間に形成され、前記単セルを冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路と、複数の前記単セルにそれぞれ形成された互いに同一形状を有する貫通孔によって構成され、前記冷却媒体流路に連通し、前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を供給する、または、前記冷却媒体流路から前記冷却媒体が排出される冷却媒体マニホールドと、前記隣接する単セル間に設けられ、前記隣接する単セルの間から前記燃料電池スタックの外部への前記冷却媒体の漏洩を防止するためのシール部材と、を備え、前記複数の単セルのうちの第１および第２の単セルは、該第１および第２の単セルを積層したときに、前記第１の単セルに形成された前記貫通孔の中心軸と、前記第２の単セルに形成された前記貫通孔の中心軸とが互いに一致するとともに、前記第１の単セルに形成された前記貫通孔の形状と、前記第２の単セルに形成された前記貫通孔の形状とが、前記中心軸を中心として、所定の回転方向に互いにずれるように形成されている、燃料電池スタック。
【００１０】
ここで、冷却媒体マニホールドとは、上記冷却媒体流路に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、上記冷却媒体流路から冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドとのうちの少なくとも一方を意味している。
【００１１】
適用例１の燃料電池スタックでは、上記第１および第２の単セルが、上記貫通孔について、上述したように形成されているので、燃料電池スタックにおける複数の単セルのうちの任意の単セルを交換する必要が生じたときに、各単セルにおける上記貫通孔のずれ具合に基づいて、比較的容易に、複数の単セルの中から所望の単セルを特定することができる。そして、特定された単セルと隣接する単セルとの間に形成された上記冷却媒体流路に、燃料電池スタックの運転中に冷却媒体を流すときの供給圧力よりも高い供給圧力で、高圧ガス等の高圧流体を供給することによって、上記冷却媒体流路内の圧力を上昇させ、その圧力によって、上記シール部材の固着を解除し、積層された複数の単セルを、分離・分解することができる。つまり、適用例１の燃料電池スタックによって、積層された複数の単セルを、比較的容易に、所望の位置で分離・分解できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００の断面構造を部分的に示す説明図である。
【図３】各単セル１０における冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状および配置を示す説明図である。
【図４】燃料電池スタック１００の分離・分解方法を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池スタックの概略構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池スタック１００の概略斜視図を示した。
【００１４】
図示するように、燃料電池スタック１００は、単セル１０を複数積層することによって構成されている。各単セル１０は、後述するように、概ね、膜電極接合体をセパレータによって挟持することによって構成されている。燃料電池スタック１００における単セル１０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、各単セル１０間には、後述するように、燃料電池スタック１００内を流れるガスや冷却媒体の漏洩を防止するためのガスケットが設けられている。
【００１５】
また、図示は省略しているが、複数の単セル１０の積層方向についての両端部には、それぞれ、集電板と、絶縁板と、エンドプレートが配置されており、これらを締結部材によって締結することによって、単セル１０の積層方向に荷重が加えられている。また、各集電板には、それぞれ出力端子が設けられており、これらの出力端子から燃料電池スタック１００によって発電された電力を出力可能となっている。また、各セパレータには、各単セル１０におけるセル電圧をモニタするための端子が設けられており、各単セル１０における発電状態を監視可能となっている。
【００１６】
燃料電池スタック１００の内部には、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気や、冷却媒体を、それぞれ各単セル１０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド）や、各単セル１０のアノードから排出されるアノードオフガスや、各単セル１０のカソードから排出されるカソードオフガスや、冷却媒体を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド）が形成されている。これらの各マニホールドは、各単セル１０に形成された複数の貫通孔によってそれぞれ構成される。図１では、符号を付して示した冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１が冷却媒体供給マニホールドを構成し、冷却媒体排出用貫通孔１０ｍｃ２が冷却媒体排出マニホールドを構成する。なお、各単セル１０に形成された冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状は、互いに同一である。また、各単セル１０に形成された冷却媒体排出用貫通孔１０ｍｃ２の形状は、互いに同一である。
【００１７】
Ｂ．燃料電池スタックの断面構造：
図２は、燃料電池スタック１００の断面構造を部分的に示す説明図である。単セル１０は、膜電極接合体の周縁部を、フレーム形状を有する樹脂製のフレーム部材１４によって固定し、これらをアノード側セパレータ１５ａとカソード側セパレータ１５ｃとによって挟持することによって構成されている。膜電極接合体は、電解質膜１１の一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１２ａと、アノード側ガス拡散層１３ａとが接合され、電解質膜１１の他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１２ｃと、カソード側ガス拡散層１３ｃとが接合されたものである。
【００１８】
アノード側セパレータ１５ａには、水素およびアノードオフガスを流すための流路（アノードガス流路１６ａｐ）が形成されている。また、カソード側セパレータ１５ｃには、空気およびカソードオフガスを流すための流路（カソードガス流路１６ｃｐ）が形成されている。また、隣接する単セル１０間には、冷却媒体を流すための流路（冷却媒体流路１７）が形成されている。
【００１９】
また、隣接する単セル１０間には、冷却媒体流路１７から燃料電池スタック１００の外部への冷却媒体の漏洩を防止するためのシール部材１８が設けられている。本実施例では、シール部材１８として、弾性を有するゴム製のガスケットを用いており、このガスケットは、アノード側セパレータ１５ａに接着されているものとした。
【００２０】
ところで、燃料電池スタック１００において、複数の単セル１０のうちの一部の単セル１０に、発電不良が生じた場合には、発電不良が生じた単セル１０を交換するために、燃料電池スタック１００を分解する場合がある。しかし、燃料電池スタック１００では、先に説明したように、各単セル１０には、積層方向に荷重が加えられており、また、シール部材１８としてゴム製のガスケットを用いているため、燃料電池スタック１００を長時間利用した場合には、上述した荷重や、ガスケットの経時劣化によって、ガスケットが、隣接する単セル１０のセパレータ（本実施例では、カソード側セパレータ１５ｃ）に固着してしまう場合がある。この場合、積層された複数の単セル１０を、所望の位置で分離・分解することが比較的困難になる場合がある。そこで、本実施例では、燃料電池スタック１００において、積層された複数の単セル１０を、比較的容易に、所望の位置で分離・分解できるように、各単セル１０の構造、および、分離・分解方法に改良を施している。
【００２１】
Ｃ．各単セルにおける冷却媒体供給用貫通孔の形状および配置：
図３は、各単セル１０における冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状および配置を示す説明図である。図３（ａ）〜（ｅ）に、ｎ枚目の単セル１０から（ｎ＋４）枚目の単セル１０における各冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状および配置を示した。
【００２２】
図示するように、本実施例では、各単セル１０において、冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状は、すべて同一の正方形であるものとした。また、各単セル１０において、冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１は、各単セル１０を積層したときに、各冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の中心軸ＡＸが互いに一致する位置に形成されている。そして、各単セル１０において、各冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１は、中心軸ＡＸを中心として、回転方向に互いにずれるように形成されている。本実施例では、各単セル１０は、各単セル１０における冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の形状が、中心軸ＡＸを中心として、左回りに２０度ずつずれるように形成されている。この冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１をずらす方向および角度は、任意に設定可能である。
【００２３】
各単セル１０を上述したように形成することによって、これらの単セル１０が積層されたときには、各冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１は不一致となる。したがって、各単セル１０における冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の上記回転方向のずれ具合に基づいて、比較的容易に、複数の単セル１０の中から所望の単セル１０を特定することができる。
【００２４】
なお、本実施例では、各単セル１０において、冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１を、中心軸ＡＸを中心として所定の回転方向にずらすものとしたが、これを冷却媒体排出用貫通孔１０ｍｃ２に適用するようにしてもよい。
【００２５】
Ｄ．燃料電池スタックの分離・分解方法：
図４は、燃料電池スタック１００の分離・分解方法を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１００の分離・分解時には、まず、燃料電池スタック１００の図示しない締結部材を外す。次に、冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１、および、冷却媒体排出用貫通孔１０ｍｃ２に、それぞれ、高圧ガス噴射装置のノズル２００（図４（ａ）参照）を、発電不良が生じた単セル１０の位置まで挿入する。発電不良が生じた単セル１０の位置は、先に説明した、各単セル１０における冷却媒体供給用貫通孔１０ｍｃ１の回転方向のずれ具合に基づいて、比較的容易に特定することができる。次に、高圧ガス噴射装置のノズル２００の先端部に設けられた噴射口から、発電不良が生じた単セル１０と、この単セル１０と隣接する単セル１０との間に形成された冷却媒体流路１７（図２参照）に、燃料電池スタック１００の運転中に冷却媒体を流すときの供給圧力よりも高い供給圧力で、高圧ガス（例えば、高圧空気）を噴射する。こうすることによって、冷却媒体流路１７内が供給された高圧ガスによって高圧になり、固着したシール部材１８が剥離する。以上の工程によって、図４（ｂ）に示したように、燃料電池スタック１００は、分離・分解される。
【００２６】
以上説明した本実施例の燃料電池スタック１００によれば、積層された複数の単セル１０を、比較的容易に、所望の位置で分離・分解できるようにすることができる。
することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１００…燃料電池スタック
１０…単セル
１０ｍｃ１…冷却媒体供給用貫通孔
１０ｍｃ２…冷却媒体排出用貫通孔
１１…電解質膜
１２ａ…アノード側触媒層
１２ｃ…カソード側触媒層
１３ａ…アノード側ガス拡散層
１３ｃ…カソード側ガス拡散層
１４…フレーム部材
１５ａ…アノード側セパレータ
１５ｃ…カソード側セパレータ
１６ａｐ…アノードガス流路
１６ｃｐ…カソードガス流路
１７…冷却媒体流路
１８…シール部材
２００…ノズル
ＡＸ…中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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