(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
互いにガスケットを挟んで積層方向に積層された複数の単位セルと、
前記複数の単位セルの両端部に配置されている単位セルである各端部セルの前記積層方向に垂直な２つの面のうち、前記単位セルに隣接していない面に接し、周縁部に厚みが薄い第１の薄肉部を有するターミナルと、
前記ターミナルの前記積層方向に垂直な２つの面のうち、前記端部セルと接していない面に接し、周縁部に厚みが薄い第２の薄肉部を有するインシュレータと、
前記端部セルの周縁部と、前記端部セルの隣に位置する前記単位セルである隣接セルの周縁部との間に配置された第１のガスケットと、
前記端部セルと前記第１の薄肉部との間において前記第１のガスケットと前記積層方向に対応する位置に配置され、前記第１のガスケットよりも反力の小さい第２のガスケットと、
前記第１の薄肉部と前記第２の薄肉部との間において前記第１のガスケット及び前記第２のガスケットと前記積層方向に対応する位置に配置され、前記第１のガスケットの反力以下である反力の第３のガスケットと、
を備える、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おけるガスケットの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、複数の燃料電池（単位セル）と、ターミナル（集電板）と、インシュレータ（絶縁板）と、エンドプレートとを積層した燃料電池スタックとして用いられる。燃料電池スタックとして、各単位セル間や、最も端の単位セル（以下、「端部セル」と呼ぶ）とターミナルとの間や、ターミナルとインシュレータとの間に、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の漏洩を抑制するために、ガスケットを配置した燃料電池スタックが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１７４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、燃料電池スタックを構成する各部材（単位セル，ターミナル，インシュレータ）間に配置されるガスケットは、互いにほぼ同じ反力となるように構成されている。しかしながら、ガスケットの製造バラツキにより、互いに反力が異なるガスケットが同じ燃料電池スタック内に配置される場合がある。例えば、端部セルとその隣りの単位セルとの間のガスケットの反力が、端部セルを挟んで単位セルの反対側に位置するターミナルと端部セルの間のガスケットの反力よりも小さい場合が起こり得る。この場合、これら２つのガスケットの反力の差により端部セルが隣りの単位セル側に曲がってしまい、端部セルと単位セルとが接触して短絡するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、燃料電池スタックにおいてガスケットの反力による端部セルの曲がりを抑制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。
［形態１］燃料電池スタックであって、互いにガスケットを挟んで積層方向に積層された複数の単位セルと、前記複数の単位セルの両端部に配置されている単位セルである各端部セルの前記積層方向に垂直な２つの面のうち、前記単位セルに隣接していない面に接し、周縁部に厚みが薄い第１の薄肉部を有するターミナルと、前記ターミナルの前記積層方向に垂直な２つの面のうち、前記端部セルと接していない面に接し、周縁部に厚みが薄い第２の薄肉部を有するインシュレータと、前記端部セルの周縁部と、前記端部セルの隣に位置する前記単位セルである隣接セルの周縁部との間に配置された第１のガスケットと、前記端部セルと前記第１の薄肉部との間において前記第１のガスケットと前記積層方向に対応する位置に配置され、前記第１のガスケットよりも反力の小さい第２のガスケットと、前記第１の薄肉部と前記第２の薄肉部との間において前記第１のガスケット及び前記第２のガスケットと前記積層方向に対応する位置に配置され、前記第１のガスケットの反力以下である反力の第３のガスケットと、を備える、燃料電池スタック。
【０００７】
［適用例１］燃料電池スタックであって、互いにガスケットを挟んで積層された複数の単位セルと、前記複数の単位セルの両端部に配置されている単位セルである各端部セルの２つの面のうち、前記単位セルに隣接していない面に接し、周縁部に厚みが薄い第１の薄肉部を有するターミナルと、前記ターミナルの２つの面のうち、前記端部セルと接していない面に接し、周縁部に厚みが薄い第２の薄肉部を有するインシュレータと、前記端部セルと前記単位セルとの間に配置された第１のガスケットと、前記端部セルと前記第１の薄肉部との間において前記第１のガスケットと対応して配置され、前記第１のガスケットよりも反力の小さい第２のガスケットと、前記第１の薄肉部と前記第２の薄肉部との間において前記第１のガスケット及び前記第２のガスケットと対応して配置され、前記第１のガスケットの反力以下である反力の第３のガスケットと、を備える、燃料電池スタック。
【０００８】
適用例１の燃料電池スタックは、第２のガスケットの反力が第１のガスケットの反力よりも小さく、また、第３のガスケットの反力が第１のガスケットの反力以下であるので、端部セルが隣接する単位セル側に曲がることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタックの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示す燃料電池スタック１０における端部分の拡大図。
【図３】第２の実施例の燃料電池スタックにおける端部分の拡大図。
【図４】第３の実施例の燃料電池スタック１０ｂの断面を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタックの概略構成を示す説明図である。この燃料電池スタック１０は、積層された複数の燃料電池（単位セル）２０と、２つのターミナル３４と、２つのインシュレータ３３と、２つのエンドプレート３０と、２つのテンションプレート３１と複数のボルト３２とを備えている。単位セル２０は固体高分子型燃料電池であり、供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば空気）を用いた電気化学反応により発電を行う。積層された単位セル２０は、直列接続されている。
【００１１】
ターミナル３４は、両端の単位セル２０（端部セル）の２つの面（積層方向に垂直な面）のうち、他の単位セルに隣接していない面に接して配置され、端部セルと電気的に接続されて燃料電池スタック１０全体の電極として機能する。ターミナル３４は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）やチタン等の金属製の板状部材により構成することができる。インシュレータ３３は、ターミナル３４の２つの面のうち、端部セルと接していない面に接して配置され、絶縁部を形成する。２つのエンドプレート３０は、燃料電池スタック１０の両端にそれぞれ配置されている。これら２枚のエンドプレート３０がボルト３２によってテンションプレート３１と結合することにより、各単位セル２０，ターミナル３４及びインシュレータ３３は、積層方向に所定の圧縮力で締結される。
【００１２】
燃料電池スタック１０には、外部より燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。例えば、図示しない水素ガスタンクから水素ガスが供給され、図示しないエアコンプレッサーから空気が供給される。燃料電池スタック１０の内部には、これら燃料ガス及び酸化剤ガスを各単位セル２０に供給するためのマニホールド（図示省略）が形成されている。
【００１３】
図２は、図１に示す燃料電池スタック１０における端部分の拡大図である。図２の例では、説明の便宜上、複数の単位セル２０のうち、端部セル２０ｅと、端部セル２０ｅの隣りに位置する単位セル（以下「隣接セル」と呼ぶ）２０ｎと、隣接セル２０ｎを挟んで端部セル２０ｅと反対側に位置する単位セル２０とが示されている。
【００１４】
ターミナル３４の周縁部には、シール部５４が形成されている。シール部５４はターミナル３４の他の部分に比べて厚み（積層方向の長さ）が薄く形成されている。同様に、インシュレータ３３の周縁部には、薄肉のシール部５３が形成されている。これらシール部５３，５４は、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の漏洩を抑制するとともに、後述の燃料ガス供給マニホールドを形成するために用いられる。なお、シール部５４は請求項における第１の薄肉部に相当する。また、シール部５３は請求項における第２の薄肉部に相当する。
【００１５】
各単位セル２０，２０ｎ，２０ｅ、ターミナル３４及びインシュレータ３３の間には、ガスケットが配置されている。具体的には、隣接セル２０ｎと端部セル２０ｅとの間には、第１ガスケット４０ａが配置されている。同様に、端部セル２０ｅとターミナル３４（シール部５４）との間には第２ガスケット４０ｂが、ターミナル３４（シール部５４）とインシュレータ３３（シール部５３）との間には第３ガスケット４０ｃが、それぞれ配置されている。なお、インシュレータ３３（シール部５３）と図示しないエンドプレート３０との間には、前述の第３ガスケット４０ｃが配置されている。また、単位セル２０と隣接セル２０ｎとの間には、前述の第１ガスケット４０ａが配置されている。各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、いずれもシリコンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム等の樹脂材料により形成される。
【００１６】
各単位セル２０，２０ｎ，２０ｅには、それぞれ厚み方向（積層方向）に貫く貫通孔２２が形成されている。同様に、シール部５４には貫通孔５６が、シール部５３には貫通孔５５が、第１ガスケット４０ａには貫通孔４２が、第２ガスケット４０ｂには貫通孔４３が、第３ガスケット４０ｃには貫通孔４４が、それぞれ形成されている。これら貫通孔４２，４３，４４，５５，５６により、燃料ガス供給マニホールド７０が形成されている。第１ガスケット４０ａは、積層方向に突出した第１リップ４５を備えている。同様に、第２ガスケット４０ｂは第２リップ４６を、第３ガスケット４０ｃは第３リップ４７を、それぞれ備えている。これらリップ４５，４６，４７は、それぞれ貫通孔４２，４３，４４を囲むように配置されている。また、これらリップ４５，４６，４７は、互いに対応して配置されている。
【００１７】
燃料電池スタック１０では、各リップ４５，４６，４７の大きさを互いに異ならせることにより、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの反力を互いに異ならせるように構成されている。具体的には、各リップ４５，４６，４７の大きさを下記式（１）の関係とすることにより、第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１と、第２ガスケット４０ｂの反力Ｎ２と、第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３とを、下記式（２）の関係となるように構成されている。なお、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの厚み（積層方向の長さ）は、各リップ４５，４６，４７の厚み（積層方向の長さ）を除き、いずれも同じである。
【００１８】
［数１］
第１リップ４５＞第３リップ４７＞第２リップ４６・・・（１）
【００１９】
［数２］
反力Ｎ１＞反力Ｎ３＞反力Ｎ２・・・（２）
【００２０】
ここで、各リップ４５，４６，４７の大きさは、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの製造バラツキが生じた場合であっても、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの反力Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の大きさが、上記式（２）の関係となるように実験により求めて設定されている。
【００２１】
このように、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの反力を互いに異ならせるように構成されているのは、以下の理由による。すなわち、第２ガスケット４０ｂの反力Ｎ２及び第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３を、第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１よりも小さく構成することにより、端部セル２０ｅが隣接セル２０ｎ側に押されて曲がり、短絡することを抑制するためである。また、反力Ｎ３を反力Ｎ２よりも大きく構成することにより、端部セル２０ｅがターミナル３４側に押されて曲がり、隣接セル２０ｎと端部セル２０ｅとの間のシールが破れることを抑制するためである。
【００２２】
以上説明したように、燃料電池スタック１０では、第２ガスケット４０ｂの反力Ｎ２及び第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３が、第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１よりも小さくなるように構成されているので、端部セル２０ｅが隣接セル２０ｎ側に曲がり短絡することを抑制できる。また、第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３が第２ガスケット４０ｂの反力Ｎ２よりも大きくなるように構成されているので、端部セル２０ｅがターミナル３４側に曲がり、隣接セル２０ｎと端部セル２０ｅとの間のシールが破れることを抑制できる。
【００２３】
Ｂ．第２の実施例：
図３は、第２の実施例の燃料電池スタックにおける端部分の拡大図である。第２の実施例の燃料電池スタック１０ａは、ターミナル３４のシール部５４に定寸部５７を備えている点において燃料電池スタック１０（図１，図２）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００２４】
定寸部５７は、剛性の強い部材（例えば金属）により薄板状に形成され、シール部５４に接合されている。定寸部５７は、第２ガスケット４０ｂの縁よりも外側において、シール部５４から端部セル２０ｅ側に突出して配置されている。定寸部５７の長さ（積層方向の長さ）は、端部セル２０ｅの曲がりがない状態における端部セル２０ｅとシール部５４との間の距離と同じ長さに設定されている。したがって、燃料電池スタック１０ａの組み立て時においては、定寸部５７の先端は端部セル２０ｅに当接している。
【００２５】
第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１は第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３よりも大きいため、これら反力Ｎ１，Ｎ３の差により、端部セル２０ｅがターミナル３４側に曲がる場合が起こり得る。しかしながら、端部セル２０ｅとシール部５４との間には剛性の強い定寸部５７が配置されているため、端部セル２０ｅの曲がりは抑制される。したがって、端部セル２０ｅの曲がりに起因する、端部セル２０ｅと隣接セル２０ｎとの間のシールの破れは抑制される。
【００２６】
以上説明した第２の実施例の燃料電池スタック１０ａは、第１の実施例の燃料電池スタック１０と同様な効果を有する。加えて、ターミナル３４のシール部５４と端部セル２０ｅとの間に定寸部５７を設けているので、第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１と第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３の差に起因する端部セル２０ｅのターミナル３４側への曲がりを抑制でき、端部セル２０ｅと隣接セル２０ｎとの間のシールの破れを抑制できる。
【００２７】
Ｃ．第３の実施例：
図４は、第３の実施例の燃料電池スタック１０ｂの断面を示す断面図である。なお、図４は、第２ガスケット４０ｂにおいて積層方向と垂直な面で切断した断面を表わしている。第３の実施例の燃料電池スタック１０ｂは、定寸部５７ａが第２ガスケット４０ｂの縁よりも内側に配置されている点において第２の実施例の燃料電池スタック１０ａと異なり、他の構成は第２の実施例と同じである。
【００２８】
図４に示すように、第３の実施例の燃料電池スタック１０ｂは、燃料ガス供給マニホールド７０が２つ形成されている。第２ガスケット４０ｂ（第２リップ４６）は、これら２つの燃料ガス供給マニホールド７０を囲むように配置されている。第３の実施例では、定寸部５７ａは、これら２つの燃料ガス供給マニホールド７０の間に配置されている。定寸部５７ａをこのように配置することにより、定寸部５７ａを、第２リップ４６のより近い位置に、また、第２リップ４６で囲まれた領域の略中央に配置することができる。したがって、端部セル２０ｅの曲がりに起因する端部セル２０ｅと隣接セル２０ｎとの間のシールの破れを抑制できる。
【００２９】
以上説明した第３の実施例の燃料電池スタック１０ｂは、第１の実施例の燃料電池スタック１０及び第２の実施例の燃料電池スタック１０ａと同様な効果を有する。加えて、定寸部５７ａを第２ガスケット４０ｂの内側において２つの燃料ガス供給マニホールド７０の間に配置することにより、端部セル２０ｅの曲がりに起因する第１リップ４５及び第２リップ４６からの燃料ガスの漏洩を抑制することができる。
【００３０】
Ｄ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３１】
Ｄ１．変形例１：
各実施例では、第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１は、第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３よりも大きく構成されていたが、これに代えて、反力Ｎ１と反力Ｎ３が等しくなるように構成することもできる。また、各実施例では、第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３は第２ガスケット４０ｂの反力よりも大きく構成されていたが、これに代えて、反力Ｎ３と反力Ｎ２とが等しくなるように構成することもできる。すなわち、一般には、第２ガスケット４０ｂの反力Ｎ２が第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１よりも小さく、かつ、第３ガスケット４０ｃの反力Ｎ３が第１ガスケット４０ａの反力Ｎ１以下である任意の構成を、本発明の燃料電池スタックに採用することができる。
【００３２】
Ｄ２．変形例２：
第２，３の実施例では、定寸部５７，５７ａは、シール部５４（ターミナル３４）に接合されていたが、これに代えて、端部セル２０ｅに接合させることもできる。すなわち、一般には、ターミナル３４と端部セル２０ｅとのいずれか一方に接合された定寸部を、本発明の燃料電池スタックに採用することができる。
【００３３】
Ｄ３．変形例３：
各実施例では、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの反力を互いに異ならせるために、各リップ４５，４６，４７の大きさを異ならせていたが、これに代えて、形状を異ならせることもできる。例えば、リップの断面形状を楕円や矩形にするなど異ならせることにより、反力を互いに異ならせることもできる。また、各リップ４５，４６，４７を、ヤング係数の異なる素材で構成することにより、各ガスケット４０ａ，４０ｂ，４０ｃの反力を互いに異ならせることもできる。
【符号の説明】
【００３４】
１０，１０ａ，１０ｂ…燃料電池スタック、２０…単位セル、２０ｅ…端部セル、２０ｎ…隣接セル、２２…貫通孔、３０…エンドプレート、３１…テンションプレート、３２…ボルト、３３…インシュレータ、３４…ターミナル、４０ａ…第１ガスケット、４０ｂ…第２ガスケット、４０ｃ…第３ガスケット、４２，４３，４４，５５，５６…貫通孔、４５…第１リップ、４６…第２リップ、４７…第３リップ、５３，５４…シール部、５７，５７ａ…定寸部、７０…燃料ガス供給マニホールド
【図１】
0005493503.tif 000002
【図２】
0005493503.tif 000003
【図３】
0005493503.tif 000004
【図４】
0005493503.tif 000005