(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの断熱性能を向上させる。【解決手段】燃料電池スタックは、燃料電池２０を複数積層して構成される。燃料電池２０は、燃料電池２０の積層方向に直交する断面において、発電積層部３０の外周部の全体に亘って、発電積層部３０を内包するように形成される。また、第１シール部４０のさらに外側には、第１シール部４０の外周部を内包するように第２シール部６０が形成される。また、第２シール部６０は、積層方向の両側で、発電積層部３０、第１シール部４０及び第２シール部６０と当接するセパレータ８０の端面を覆うように形成される。第１シール部４０と第２シール部６０の間には、隙間が設けられ、当該隙間によって閉じられた空間である空気層７０が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池を積層して構成される燃料電池スタックであって、
電解質膜とアノードとカソードとを備えた発電体と、
前記積層の方向に直交する前記発電体の断面の外周部の全体に亘って形成され、前記発電体に供給される反応ガスをシールする第１のシール部材と、
前記発電体及び前記第１のシール部と、前記積層の方向で接触し、前記反応ガスの隔壁となるセパレータと、
前記セパレータの端面を覆い、かつ、前記第１のシール部材との間に隙間を有するように、前記第１のシール部材の前記断面の外周部の全体に亘って形成された第２のシール部と、
前記第１のシール部と前記第２のシール部との間に閉じられて形成された空間である空気層と
を備えた燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池を積層して構成される燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池スタックの断熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックが車両等の移動体に搭載される場合、通常、燃料電池スタックは、その保護の観点から、専用の収納ケースに収納される。かかる収納ケースに燃料電池スタックを収納すれば、燃料電池スタックは外部環境と隔離され、収納ケースと燃料電池スタックとの間の空間が断熱層として機能する。その結果、低温環境下で発電運転を起動した場合の立ち上がりの遅れや、低温化による発電効率の低下を抑制することができる。
【０００３】
しかしながら、燃料電池を収納ケースに収めると、装置の大型化・重量化によって設置スペースの制約が大きくなったり、高コスト化したりすることが問題となっていた。また、収納ケースに十分な断熱機能を持たせると、収納ケースが高価になることが問題となっていた。かかる問題は、移動体に搭載される燃料電池スタックに限らず、種々の燃料電池スタックに共通する問題となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３０２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックの断熱性能を向上させることである。
【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］複数の燃料電池を積層して構成される燃料電池スタックであって、電解質膜とアノードとカソードとを備えた発電体と、前記積層の方向に直交する前記発電体の断面の外周部の全体に亘って形成され、前記発電体に供給される反応ガスをシールする第１のシール部材と、前記発電体及び前記第１のシール部と、前記積層の方向で接触し、前記反応ガスの隔壁となるセパレータと、前記セパレータの端面を覆い、かつ、前記第１のシール部材との間に隙間を有するように、前記第１のシール部材の前記断面の外周部の全体に亘って形成された第２のシール部と、前記第１のシール部と前記第２のシール部との間に閉じられて形成された空間である空気層とを備えた燃料電池スタック。
【０００８】
かかる構成の燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向に直交する断面の外周部において、第１のシール部と第２のシール部との間に空気層が形成される。空気層は断熱層として機能するので、燃料電池スタックの断熱性能を向上させることができる。その結果、燃料電池スタックの収納ケースを不要にすることができる。あるいは、収納ケースの断熱性能を低く設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池２０の積層方向に直交する断面を示す説明図である。
【図２】図１に示した燃料電池２０のＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図３】従来技術としての燃料電池スタックを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施例について説明する。
Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
本発明の実施例としての燃料電池スタックの概略構成について説明する。本実施例の燃料電池スタックは、複数の燃料電池２０を積層し、その両端をターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持した燃料電池スタックである。本実施例においては、燃料電池２０は、固体高分子形燃料電池であるが、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など、他の形式であってもよい。
【００１１】
燃料電池２０の概略構成を図１に示す。図１は、燃料電池２０の積層方向（図中のＹ軸方向）に直交する断面を示している。図示するように、燃料電池２０は、発電積層部３０、第１シール部４０、第２シール部６０を備えている。発電積層部３０は、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて、電気化学反応によって発電を行う部位であり、その詳細は、後述する。
【００１２】
第１シール部４０は、図１に示す断面において、発電積層部３０の外周部の全体に亘って、発電積層部３０を内包するように形成されている。第１シール部４０は、燃料電池２０の積層方向の両側でセパレータ８０（図１では図示せず）と当接することで、発電積層部３０に供給される反応ガスをシールする。第１シール部４０は、本実施例においては、ブチルゴムによって形成したが、種々の弾性材料、例えば、シリコンゴム、フッ素ゴム、熱可塑性エラストマなどを用いてもよい。
【００１３】
また、第１シール部４０は、燃料電池２０の積層方向に貫通する貫通孔を備えている。当該貫通孔は、セパレータ８０の対応する位置にも設けられている。これらの貫通孔は、発電積層部３０及び第１シール部４０とセパレータ８０とが燃料電池２０の積層方向に積層され、当接することで連通し、各種マニホールドを形成する。本実施例では、図１に示すように、燃料ガス供給マニホールド５１、燃料ガス排出マニホールド５２、酸化ガス供給マニホールド５３、酸化ガス排出マニホールド５５、冷却水供給マニホールド５６、冷却水排出マニホールド５７が、発電積層部３０の外周部に沿って形成されている。
【００１４】
セパレータ８０において、酸化ガス供給マニホールド５３、酸化ガス排出マニホールド５５、冷却水供給マニホールド５６、冷却水排出マニホールド５７に対応する貫通孔には、当該貫通孔を仕切るようにセパレータランナ８３，８５，８６，８７がそれぞれ設けられている。セパレータランナ８３，８５，８６，８７は、比較的大きな貫通孔の形成箇所の剛性を確保するために設けられた、セパレータ８０の橋渡し形状である。
【００１５】
燃料ガス供給マニホールド５１に供給された酸化ガスは、隣接するセパレータ８０の孔部を介して、発電積層部３０に供給された後、セパレータ８０の孔部を介して、燃料ガス排出マニホールド５２に排出される。同様に、酸化ガス供給マニホールド５３に供給された酸化ガスは、発電積層部３０に供給され、酸化ガス排出マニホールド５５に排出される。また、冷却水供給マニホールド５６に供給された冷却水は、セパレータ８０の内部に形成された流路を流れて、冷却水排出マニホールド５７に排出される。
【００１６】
第２シール部６０は、図１に示す断面において、第１シール部４０のさらに外側に、第１シール部４０の外周部の全体を内包するように形成されている。第１シール部４０と第２シール部６０との間には、第１シール部４０の外周部の全体に亘って隙間が確保されている。なお、本実施例においては、第２シール部６０には、第１シール部４０と同様の材質を用いている。
【００１７】
セパレータ８０において、第１シール部４０と第２シール部６０との隙間に対応する位置には、貫通孔が設けられている。これらの隙間及び貫通孔は、発電積層部３０、第１シール部４０及び第２シール部６０とセパレータ８０とが燃料電池２０の積層方向に積層され、当接することで連通し、中空構造が空気で満たされた閉鎖空間である空気層７０を形成する。本実施例では、空気層７０は、連続する１つの空間である。なお、セパレータ８０の空気層７０に対応する位置の貫通孔には、所定のピッチでセパレータランナ８８が設けられている。セパレータランナ８８は、セパレータ８０の発電積層部３０及び第１シール部４０に対応する部分と、第２シール部６０に対応する部分とを一体的に形成するため、また、セパレータ８０の剛性を確保するために設けられた、セパレータ８０の橋渡し形状である。
【００１８】
図１に示した燃料電池２０のＡ−Ａ断面を図２に示す。図２では、発電積層部３０、第１シール部４０及び第２シール部６０の一方の側に、セパレータ８０が積層された様子を示している。
【００１９】
発電積層部３０は、電解質膜と、電解質膜の表面に形成された一対の電極（カソード及びアノード）とからなるＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）３１と、ＭＥＡ３１を挟持する一対のガス拡散層３２と、ＭＥＡ３１及びガス拡散層３２を挟持する一対のガス流路形成部３３とによって構成される。
【００２０】
電解質膜は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜は、本実施例では、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂を用いた。カソード及びアノードは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜と同質の電解質とを備えている。
【００２１】
ガス拡散層３２は、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属などによって形成されるガス透過性を有する導電性部材であり、本実施例においては、カーボンペーパを用いている。このガス拡散層３２は、後述するガス流路形成部３３よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。かかるガス拡散層３２を設けることによって、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部３３と触媒電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜を保護することができる。
【００２２】
ガス流路形成部３３は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部３３は、一方の面がガス拡散層３２と、他方の面がセパレータ８０と接触するように配置されており、内部に形成される多数の細孔からなる空間は、電気化学反応に供される反応ガスが通過するガス流路として機能する。
【００２３】
セパレータ８０は、導電性材料、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金などによって形成される薄板状部材であり、本実施例では、ステンレス鋼を用いている。セパレータ８０は、反応ガスの隔壁として機能する。
【００２４】
第１シール部４０及び第２シール部６０は、Ｘ方向の面がセパレータ８０と隙間無く接触している。また、第１シール部４０及び第２シール部６０の−Ｙ方向には、シールリップ４２，６２がそれぞれ形成されている。第１シール部４０及び第２シール部６０は、このシールリップ４２，６２がセパレータ８０と接触することで（図示省略）、シール性を確保する。
【００２５】
また、図２において、上述した冷却水供給マニホールド５６は、第１シール部４０及びセパレータ８０の貫通孔によって形成されている。また、上述した空気層７０は、セパレータ８０の貫通孔と、第１シール部４０及び第２シール部６０の隙間とによって形成されている。ここで、第１シール部４０の第２シール部６０側の端部は、セパレータ８０（Ｙ方向）側に折れ曲がって形成されており、セパレータ８０の貫通孔の側面部を塞いでいる。同様に、第２シール部６０の第１シール部４０側の端部は、Ｙ方向側に折れ曲がって形成され、セパレータ８０の貫通孔の側面部を塞いでいる。つまり、空気層７０の側面は、第１シール部４０及び第２シール部６０によって形成されており、セパレータ８０の貫通孔の側面部は空気層７０に露出しない形状となっている。なお、空気層７０は、セパレータランナ８８に対応する部分を除いた全ての部分で、図２に示したＡ−Ａ断面と同様の形状となっている。
【００２６】
また、第２シール部６０は、セパレータ８０の第２シール部６０側（−Ｘ方向）の端部よりも外側まで形成されており、第２シール部６０の端部は、Ｙ方向側に折れ曲がることで、セパレータ８０の端面を塞いでいる。
【００２７】
Ａ−２．効果：
上述した燃料電池スタックの効果を明確にするために、まず、従来の燃料電池スタックについて説明する。図３（ａ）は、従来の燃料電池スタック１００の構成を示している。燃料電池スタック１００は、燃料電池１２０を複数積層して構成される。かかる燃料電池スタック１００は、収納ケース１５０に収納されている。かかる燃料電池スタック１００は、収納ケース１５０に収納することによって、燃料電池スタック１００と収納ケース１５０との間の空間が断熱層として機能するので、低温環境下での発電性能の低下を抑制することができる。しかし、燃料電池スタック１００は、収納ケース１５０を必要とするので、装置の大型化、高コスト化などの問題を招く。また、収納ケース１５０に断熱性部材を用いると、高コスト化の問題を招く。
【００２８】
また、他の従来の燃料電池スタック２００の構成を図３（ｂ）に示す。燃料電池スタック２００は、燃料電池２２０を複数積層して構成される。燃料電池スタック２００は、収納ケースに収納されていない。かかる燃料電池スタック２００は、装置のコンパクト化、低コスト化が可能であるが、低温環境下では、燃料電池の外周部（セパレータやシール部など）が当該環境に直接的にさらされることとなるので、発電性能の低下を招くこととなる。
【００２９】
一方、本発明の実施例としての、燃料電池２０を積層した燃料電池スタックは、燃料電池２０の積層方向に直交する断面において、発電積層部３０が第１シール部４０に内包され、第１シール部４０が第２シール部６０に内包される。また、第１のシール部と第２のシール部との間には空気層７０が形成される。第２シール部６０や空気層７０は、断熱層として機能するので、燃料電池スタックの断熱性を向上させることができる。その結果、燃料電池スタックの収納ケースを不要にすることができる。あるいは、収納ケースの断熱性能を低く設定することができる。あるいは、収納ケースと併せて使用して、燃料電池スタックの断熱性を向上させることができる。また、熱伝導性が高いセパレータ８０の端面や貫通孔の側面部は、第２シール部６０によって覆われるので、断熱性能を高めることができる。
【００３０】
また、燃料電池２０を積層した燃料電池スタックは、例えば、当該燃料電池スタックを車両等の移動体に搭載した際に、移動体の衝突等によって、冷却水が冷却水供給マニホールド５６、冷却水排出マニホールド５７などから燃料電池２０の外部側に向かって漏れても、当該漏洩水を空気層７０に滞留させることができる。つまり、漏洩水が燃料電池スタックの外部にまで漏洩することを抑制することができる。
【００３１】
また、燃料電池２０を積層した燃料電池スタックは、空気層７０が連続する１つの空間として形成されているので、空気層７０の空間が区画されている場合と比べて、１つの空間あたりの容量が大きくなる。したがって、燃料電池スタックの一部分のみが相対的に低温環境下にさらされるような場合（例えば、燃料電池スタックが車両の床下に搭載され、路面に近い側が相対的に低温になる場合）に、断熱性能を高めることができる。また、漏洩水の滞留可能容積が大きくなるので、外部への漏水防止効果を高めることもできる。ただし、空気層７０は、複数の空間に区画されていてもよい。
【００３２】
また、燃料電池２０を積層した燃料電池スタックは、例えば、当該燃料電池スタックを車両等の移動体に搭載した際に、飛石や路面との干渉などにより、燃料電池スタックが衝撃を受ける場合に、第２シール部６０及び空気層７０がクッションとなって、衝撃を吸収できるので、空気層７０よりも内部に形成された各種マニホールドや発電積層部３０などへのダメージを軽減することができる。
【００３３】
Ｂ．変形例１：
上述の実施形態においては、空気層７０は、空気で満たされた構成について示したが、空気層７０に、断熱性部材、例えば、グラスウールや発泡ウレタンなどを充填してもよい。こうすれば、燃料電池スタックの断熱性能を高めることができる。
Ｂ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、第１シール部４０と第２シール部６０とは、同一の材質を用いたが、異なる材質を用いてもよい。具体的には、第１シール部４０は、反応ガスをシールするために６００ｋＰａ程度のシール圧力が必要であるが、第２シール部６０では、防水シール性のみ備えていればよいので、５ｋＰａ程度のシール圧力で足りる。そこで、第２シール部６０には、断熱性能に優れたＥＰＤＭ（Ethylene Propylene Diene Methylene Linkage：エチレンプロピレンジエン三元共重合体）などを用いてもよい。こうすれば、燃料電池スタックのの断熱性能を高めることができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、燃料電池スタックとしての構成のほか、燃料電池、燃料電池のシール部材としても実現することができる。
【符号の説明】
【００３５】
２０…燃料電池
３０…発電積層部
３１…ＭＥＡ
３２…ガス拡散層
３３…ガス流路形成部
４０…第１シール部
４２，６２…シールリップ
５１…燃料ガス供給マニホールド
５２…燃料ガス排出マニホールド
５３…酸化ガス供給マニホールド
５５…酸化ガス排出マニホールド
５６…冷却水供給マニホールド
５７…冷却水排出マニホールド
６０…第２シール部
７０…空気層
８０…セパレータ
８３，８５，８６〜８８…セパレータランナ
１００，２００…燃料電池スタック
１２０，２２０…燃料電池
１５０…収納ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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