(57)【要約】【課題】発電用ガスに起因するセパレータの変形を抑えるとともに、冷却用流通路における圧力損失を低減調整できるようにする。【解決手段】本発明は、膜電極接合体を配したセルフレームの両面側に、それぞれ異なる二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するようにして一対のセパレータを配設した複数の燃料電池セルと、それらの燃料電池セルを互いに積層した二つ以上のセルモジュールＭと、それらセルモジュールＭ，Ｍ間に介挿接着して用いられるシールプレートＰ１とを有する燃料電池スタックであって、上記両セパレータ２５，２５間に、セパレータ２５，２５の変位を抑制するセパレータ変位抑制手段５０を介設している。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を配したセルフレームの両面側に、それぞれ異なる二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するようにして一対のセパレータを配設した複数の燃料電池セルと、
それらの燃料電池セルを互いに積層した二つ以上のセルモジュールと、
それらセルモジュール間に介挿接着して用いられるシールプレートとを有する燃料電池スタックであって、
上記シールプレートを介挿した両セパレータ間に、それらのセパレータの変位を抑制するセパレータ変位抑制手段を介設していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
隣接する二つのセルモジュールの互いの対向面に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路が区画形成され、かつ、その冷却流体流通路に、その冷却流体の圧力損失を増減調整する圧力損失調整用開口を形成したシールプレートを介挿しており、
その圧力損失調整用開口内にセパレータ変位抑制手段を配設している請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
セルフレームには、二種類の発電用ガスの流出入をそれぞれ行なうためのマニホールド部が形成され、かつ、それらマニホールド部と膜電極接合体との間に、水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ領域が配設されており、
そのディフューザ領域に、圧力損失調整用開口を対向させて形成している請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
セパレータ変位抑制手段を、シールプレートを挟む両セパレータ間に介設している請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
セパレータ変位抑制手段は、両セパレータに当接する高さに形成されている請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
セパレータ変位抑制手段は、ディフューザ領域に配設されている突起である請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
セパレータ変位抑制手段を、エンドプレートとセパレータ間に配設している請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
セパレータ変位抑制手段を、膜電極接合体とセルフレームとの接合部分に沿って配設している請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
セパレータ変位抑制手段を、冷却流体の配流性が向上するように配置している請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックとこれに用いるシールプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、この種の燃料電池スタックに関連する技術として、「シールプレートとこれを用いた燃料電池スタック」とした名称において特許文献１として出願したものがある。なお、特許文献１は、平成２４年（２０１２年）３月９日に出願したものであり、本願出願時点においては、出願公開はされてはおりません。
【０００３】
上記特許文献１に記載している燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを互いに積層一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュール間に介挿接着して用いられるものであり、上記燃料電池セルを流通する二種類の発電用ガスを互いに分離して流出入させるための複数のマニホールド孔が形成されており、それら各マニホールド孔の周縁部に、これら各マニホールド孔を流通する発電用ガスをシールするためのシール部材が連成されている。
この構成によれば、シール部材を備えたシールプレートを採用することによって、セルモジュールに対して容易に取り外し可能なため、セルモジュールを継続使用できるとともに、冷却用流通路における圧力損失を低減調整できるという効果を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２０１２−０５３３１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載した燃料電池スタックでは、発電用ガス（水素含有ガス）を脈動させて、燃料電池スタック内に生じた水を排出しているが、その脈動に伴ってセパレータにも変形が繰り返し生じ、その変形によって膜電極接合体に応力が作用して破損する虞がある。
【０００６】
そこで本発明は、発電用ガスに起因するセパレータの変位を抑制するとともに、冷却用流通路における圧力損失を低減調整できる燃料電池スタックとこれに用いるシールプレートの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、膜電極接合体を配したセルフレームの両面側に、それぞれ異なる二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するようにして一対のセパレータを配設した複数の燃料電池セルと、それらの燃料電池セルを互いに積層した二つ以上のセルモジュールと、それらセルモジュール間に介挿接着して用いられるシールプレートとを有する燃料電池スタックであって、上記シールプレートを介挿した両セパレータ間に、セパレータの変位を抑制するセパレータ変位抑制手段を介設している。
【０００８】
上記の構成では、上記シールプレートと両セパレータとの間に介設したセパレータ変位抑制手段によって、セパレータの変位を抑制している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シールプレートと両セパレータとの間にセパレータ変位抑制手段を介設しているので、発電用ガスに起因するセパレータの変位を抑制できるとともに、冷却用流通路における圧力損失を低減調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルの一部をなすセルフレームの拡大正面図である。
【図４】同上の燃料電池セルの一部をなすセパレータの拡大正面図である。
【図５】同上のシールプレートの拡大正面図である。
【図６】同上のシールプレートの開口に、一例に係るセパレータ変位抑制手段を配設した拡大正面図である。
【図７】図６に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分の拡大図である。
【図８】膜電極接合体の変位とセパレータ変位抑制手段の関係を示す図である。
【図９】膜電極接合体に生ずる応力とセパレータ変位抑制手段の有無との関係を示す図である。
【図１０】膜電極接合体に加わる繰り返し曲げ応力と繰り返し数との関係を示す図である。
【図１１】膜電極接合体に生ずる応力と変位量との関係を示す図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｅ）は、第二の例〜第六の例に係る圧力損失調整部を形成したシールプレートを示す部分拡大図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【図１３】セパレータ変位抑制手段をアクティブエリアの側辺縁部に配設した形態を示すシールプレートの正面図である。
【図１４】同上のセパレータ変位抑制手段とセルフレームとの関係を示す正面図である。
【図１５】図１４に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図、図２は、その燃料電池スタックの分解斜視図、図３は、燃料電池セルの一部をなすセルフレームの拡大正面図である。また、図４は、その燃料電池セルの一部をなすセパレータの拡大正面図、図５は、そのシールプレートの拡大正面図、図６は、そのシールプレートの開口に、一例に係るセパレータ変位抑制手段を配設した拡大正面図である。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックＡは、図１，２に示すように、一対のエンドプレート１０，１１間に、燃料電池モジュールＭ，Ｍ、シールプレートＰ１を積層させ、かつ、それらのエンドプレート１０，１１により、それら燃料電池モジュールＭ，Ｍ、シールプレートＰ１を挟圧するようにして締結板１２，１３及び補強板１４，１５によって締結した構成のものである。
【００１３】
上記のセルモジュールＭは、所要の枚数からなる燃料電池セル２０を積層させたものであり、また、そのセルモジュールＭの外壁面を接着剤層によってモールドしている。これにより、セルモジュールＭ内部への浸水を防止するとともに電気的な絶縁を図っている。
【００１４】
上記した燃料電池セル２０は、セルフレーム２１の両側に、それぞれ異なる二種類の発電用ガスを流通させるためのガス流通路Ｆ２，Ｆ３（図１５参照）を区画形成するようにして一対のセパレータ２５，２５を配設したものである。
「二種類の発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。
【００１５】
セルフレーム２１は樹脂製のものであり、本実施形態においては、図3に示すように、燃料電池セル２０の積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、一定の板厚にして形成したものである。
上記セルフレーム２１の中央部分には膜電極接合体２２が、また、その膜電極接合体２２の両側（両端部）にはマニホールド部ＭＬ，ＭＲが配設されている。
セルフレーム２１の最外周縁部に沿って外周シール部材２３が、さらに、そのシール部材２３の内側に所要の間隔をおいて内周シール部材２４がそれぞれ全周にわたり無端状にして形成されている。
【００１６】
膜電極接合体２２は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜を、一対の電極により挟持した構造を有している。
【００１７】
上記マニホールド部ＭＬ，ＭＲは、それぞれ水素含有ガス、酸素含有ガス及び冷却流体の流出入を行なうためのものであり、それらマニホールド部ＭＬ，ＭＲと膜電極接合体２２との間には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ領域Ｄ１，Ｄ１が形成されている。本実施形態において示す冷却流体は「水」である。
【００１８】
一側部のマニホールド部ＭＬは、水素含有ガス供給用孔Ｍ１、冷却流体供給用孔Ｍ２及び酸素含有ガス供給用孔Ｍ３からなり、上記積層方向αにそれぞれの流通路をなしている。
【００１９】
他方のマニホールド部ＭＲは、酸素含有ガス排出用孔Ｍ４、冷却流体排出用孔Ｍ５及び水素含有ガス排出用孔Ｍ６からなり、上記積層方向αにそれぞれの流通路をなしている。なお、供給用のものと排出用のものは一部又は全部が逆の位置関係でもよい。
【００２０】
ディフューザ領域Ｄ１は、膜電極接合体２２とマニホールド部ＭＬとの間及びその膜電極接合体２２とマニホールド部ＭＲとの間であって、セルフレーム２１の両面にそれぞれ形成されている。
このディフューザ領域Ｄ１には、互いに同形同大の円錐台形にした整流のための複数の突起９が所要の間隔にして２列にして配列されている。
【００２１】
セルフレーム２１には、外縁部に沿って接着シール７が全周にわたり無端状に連続して形成され、また接着シール7はマニホールド孔Ｍ２、Ｍ５をそれぞれ囲繞するように形成されている。
セパレータ２５，２５は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記したセルフレーム２１とほぼ同じ大きさの横長方形にして形成されている。
【００２２】
このセパレータ２５は、上記した膜電極接合体２２に対向する中央部分が、長手方向に連続した流路形成部２５ａが凹凸形成されているとともに、両端部には、上記したセルフレーム２１の各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と対向して、それらと同形同大のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が互いに対向して形成されている。
【００２３】
マニホールド部ＭＬと流路形成部２５ａのガス流入端部との間、及びマニホールド部ＭＲと流路形成部２５ａのガス流出端部との間には、ディフューザ領域Ｄ２，Ｄ２が形成されている。
このディフューザ領域Ｄ２には、互いに同形同大の円錐台形にした複数の突起８が所要の間隔にして格子状に配列されている。
【００２４】
図７は、図６に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分の拡大図である。
隣接する二つのセルモジュールＭ，Ｍの互いの対向面、すなわち最外側に配置されている燃料電池セル２０，２０により区画形成される空間が冷却流体の流通路（以下、「冷却流体流通路」という。）Ｆ１となっており、その冷却流体流通路Ｆ１に、本発明の第一の実施形態に係るシールプレートＰ１を介挿している。
具体的には、燃料電池セル２０，２０の互いに対向するセパレータ２５，２５の間に冷却流体流通路Ｆ１が区画形成されている。
【００２５】
本発明の第一の実施形態に係るシールプレートＰ１は、上記した燃料電池セル２０とは別体にして形成されており、それは、プレート基板３０の両端部にマニホールド部ＭＬ，ＭＲを開口しているとともに、第一の例に係る圧力損失調整部Ｂ１を形成している。
【００２６】
プレート基板３０は導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した燃料電池セル２０とほぼ同形同大にして形成されている。このプレート基板３０を導電性の金属板で形成することにより、経時的に安定した通電性を保つことができる。
このプレート基板３０に形成されているマニホールド部ＭＬ，ＭＲは、上記したセルフレーム２１等に形成したものと同等のものであるので、それらの説明を省略する。
【００２７】
このシールプレートＰ１は、上記したセルモジュールＭ，Ｍ間の冷却流体流通路Ｆ１に介挿されたときに、これに形成されている各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６は、上記したセルモジュールＭ，Ｍに形成されているマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６と一連の流通路をなすようにしている。
【００２８】
本実施形態においては、上記したシールプレートＰ１のマニホールド孔Ｍ１，Ｍ３、Ｍ４，Ｍ６を区画形成するプレート基板３０の各辺縁部に、シール部材３１〜３４が、また、そのプレート基板３０の最外周縁部に沿って外周シール部材３５が、さらに、そのシール部材３５の内側に所要の間隔をおいて内周シール部材３６がそれぞれ全周にわたり無端状にして形成されている。
上記内周シール部材３６により冷却流体流通路Ｆ１を流通する冷却流体の漏出を防止し、また、外周シール部材３５により、外部からの雨水の浸入を防止するとともに、電気的な絶縁を図っている。
【００２９】
上記した第一の例に係る圧力損失調整部Ｂ１は、図７に示す冷却流体流通路Ｆ１において、これを流通する冷却流体の圧力損失を増減調整する機能を有するものであり、アクティブエリアａ近傍において、冷却流体位流通路Ｆ１の断面を増減させることによって圧力損失を増減調整できるようにしている。
【００３０】
「冷却流体流通路Ｆ１の断面の増減」は、冷却流体の流通方向β及びこの流通方向βと直交する方向γの双方を含むものである。
「アクティブエリアａ」は、上記した膜電極接合体２２に対向する領域のことである。
【００３１】
本実施形態において示す圧力損失調整部Ｂ１は、アクティブエリアの近傍に設けられている。
この圧力損失調整部Ｂ１は、プレート基板３０の長軸中心線Ｏ１と直交する短軸中心線Ｏ２に平行な二つの開口（以下、「スリット」という。）３７，３７からなる。
スリット３７は、平面視において、冷却流体流通路の幅にほぼ等しい長さにした長方形に形成されている。
「長軸中心線Ｏ１」は、プレート基板３０の短辺を二分する位置に、また、短軸中心線Ｏ２は、上記ディフューザ領域Ｄ２，Ｄ２を二分する位置に設定したものである。
【００３２】
本実施形態においては、各セパレータ２５の変位を抑制するセパレータ変位抑制手段５０を冷却流体の配流性が向上するように配置している。
「配流性が向上するように」とは、冷却流体が短軸中心線Ｏ２方向において所要の流速形態となるように、という意味である。
【００３３】
本実施形態においては、上記セパレータ変位抑制手段５０を、各スリット３７，３７内に、短軸中心線Ｏ２に沿って互いに等間隔に配設しているが、短軸中心線Ｏ２方向において、中央部分から側方に向けて疎となる間隔にし、また、中央部分から側方に向けて密となる間隔に配列してもよい。また、格子状等に配列することもできる。
【００３４】
このセパレータ変位抑制手段５０は例えば樹脂製のものであり、シールプレートＰ１に隣接する二枚のセパレータ２５，２５間にわたる高さにした円柱形に形成され、それら両セパレータ２５，２５に両端を接着固定している。
これにより、各セパレータ２５の変位代を狭め、また、積層方向αの荷重をセパレータ変位抑制手段５０によって伝達することにより、セパレータ２５の変位を抑制している。
【００３５】
これにより、水素含有ガスの脈動に伴うセパレータ２５の変形を抑制し、膜電極接合体２２に加わる曲げ応力を低減させて、その寿命を延ばすことができる。
また、膜電極接合体２２のディフューザ領域Ｄ２，Ｄ２に臨む両端辺縁２２ａ，２２ｂとセルフレーム２１との接合部分での亀裂等の発生を防ぐことができる。
【００３６】
なお、上述したディフューザ領域Ｄ２に配設されている突起８が、セパレータ変位抑制手段５０の機能を果たすのではないかという疑念が生ずるが、それらの突起８は、セパレータ２５，２５間にわたる高さにしたものではなく、従って、本実施形態においては、セパレータ変位抑制手段５０の機能を果たすものではない。
【００３７】
図８は、膜電極接合体の変位とセパレータ変位抑制手段の関係を示す図、図９は、膜電極接合体に生ずる応力とセパレータ変位抑制手段の有無との関係を示す図、図１０は、膜電極接合体に加わる繰り返し曲げ応力と繰り返し数との関係を示す図、図１１は、膜電極接合体に生ずる応力と変位量との関係を示す図である。なお、図８〜１１においては、膜電極接合体を「ＭＥＡ‐ＡＳＳＹ」と表記し、また、セパレータ変位抑制手段の有り無しを「有」，「無」で示している。
【００３８】
図８から明らかなように、セパレータ変位抑制手段５０を、セパレータ２５，２５間にわたる高さにすることにより、膜電極接合体２２の変位が抑えられている。また、図９から明らかなように、セパレータ変位抑制手段５０を設けたときには、膜電極接合体２２に発生する応力が低減している。
【００３９】
図１０から明らかなように、セパレータ変位抑制手段５０を設けたときに、繰り返し回数、すなわち寿命が著しく伸びている。また、図１１に示すように、セパレータ２５，２５の変位量が一定になるに従って、膜電極接合体２２に生ずる応力は一定になることが明らかである。
【００４０】
図１２（Ａ）〜（Ｅ）は、第二の例〜第六の例に係る圧力損失調整部を形成したシールプレートを示す部分拡大図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図１２（Ａ）に示すシールプレートＰ２は、第二の例に係る圧力損失調整部Ｂ２を形成したものである。
第二の例に係る圧力損失調整部Ｂ２は、上記したスリット３７を短軸中心線Ｏ２方向において三等分するようにリブ３７ａ，３７ａで区分したものである。
この場合、ディフューザ領域Ｄ２に配設されている突起８が、リブ３８，３８の両面に当接し、これにより、それらの突起８が上記したセパレータ変位抑制手段５０と同等の機能を発揮する。また、リブ３７ａ，３７ａをスリット３７に配設することにより、当該部分の剛性を高めることもできる。
【００４２】
図１２（Ｂ）に示すシールプレートＰ３は、第三の例に係る圧力損失調整部Ｂ３を形成したものである。
第三の例に係る圧力損失調整部Ｂ３は、上記した短軸中心線Ｏ２に平行にし、かつ、互いに同じ直径の円形にした複数の調整孔３８を、互いに一定の間隔にして２列に配列したものである。本例においても、ディフューザ領域Ｄ２に配設されている突起８が、調整孔３８近傍において両面に当接し、これにより、それらの突起８が上記したセパレータ変位抑制手段５０と同等の機能を発揮する。
【００４３】
図１２（Ｃ）に示すシールプレートＰ４は、第四の例に係る圧力損失調整部Ｂ４を形成したものである。
第四の例に係る圧力損失調整部Ｂ４は、上記した短軸中心線Ｏ２に平行にし、かつ、互いに同じ直径の円形にした複数の調整孔３８を、互いに一定の間隔にして３列に配列したものである。本例においても、ディフューザ領域Ｄ２に配設されている突起８が、調整孔３８近傍において両面に当接し、これにより、それらの突起８が上記したセパレータ変位抑制手段５０と同等の機能を発揮する。
【００４４】
図１２（Ｄ）に示すシールプレートＰ５は、第三の例に係る圧力損失調整部Ｂ５を形成したものである。
第三の例に係る圧力損失調整部Ｂ５は、上記した短軸中心線Ｏ２上に互いに同じ直方形にした複数の調整孔３９を、一定の間隔にして一列に配列したものである。本例においては、ディフューザ領域Ｄ２に配設されている突起８が、調整孔３９近傍において両面に当接し、これにより、それらの突起８が上記したセパレータ変位抑制手段５０と同等の機能を発揮する。
【００４５】
図１２（Ｅ）に示すシールプレートＰ６は、第三の例に係る圧力損失調整部Ｂ６を形成したものである。
第三の例に係る圧力損失調整部Ｂ６は、上記した短軸中心線Ｏ２に平行にし、かつ、互いに同じ正方形にした複数の調整孔４０を、一定の間隔にして２列に配列したものである。本例においては、ディフューザ領域Ｄ２に配設されている突起８が、調整孔４０近傍において両面に当接し、これにより、それらの突起８が上記したセパレータ変位抑制手段５０と同等の機能を発揮する。
【００４６】
図１３は、セパレータ変位抑制手段をアクティブエリアの側辺縁部に配設した形態を示すシールプレートの正面図、図１４は、そのセパレータ変位抑制手段とセルフレームとの関係を示す正面図、図１５は、図１４に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００４７】
図１３〜図１５に示すシールプレートＰ７は、スリット３７，３７にわたる長さ、換言すると、アクティブエリアの側辺縁部に、その長辺縁の長さにわたるシール５１ａ，５１ａを設けたものである。
本実施形態においては、シール５１ａ，５１ａがセパレータ変位抑制手段Ｂ７である。
【００４８】
敷衍すると、上記したシール５１ａ，５１ａは、図１４，１５に示すように、膜電極接合体２２とセルフレーム２１との接合部分ｂ，ｂに配設されている。当該接合部分ｂ，ｂにシール５１ａ，５１ａを配設することにより、水素含有ガスの脈動に伴い、膜電極接合体２２に加わる曲げ応力を低減させられ、また、膜電極接合体２２の長辺縁とセルフレーム２１との上記接合部分ｂ，ｂにおける亀裂等の発生を防ぐことができる。
【００４９】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、シールプレートを介挿した両セパレータ間にセパレータ変位抑制手段を配設した構成のものを例として説明したが、エンドプレートとセパレータ間に配設することもできる。
【００５０】
以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
【符号の説明】
【００５１】
８    突起
２０    燃料電池セル
２２    膜電極接合体
２１    セルフレーム
２５    セパレータ
３７    圧力損失調整用開口
５０    セパレータ変位抑制手段
Ｄ    ディフューザ領域
Ｆ１    冷却流体流通路
Ｆ２，Ｆ３    ガス流通路
Ｍ    セルモジュール
ＭＬ，ＭＲ    マニホールド部
Ｐ１〜Ｐ７    シールプレート
ｂ    接合部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014127393.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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