(57)【要約】    【課題】  ＭＥＡの耐久性を維持できることは勿論のこと、体格が大きくなったり、部品点数を増加させることなく、積層された単セルに横ずれが生じることを防止することが可能な燃料電池スタック及びこの燃料電池スタックを提供する。    【解決手段】  電解質膜１１の一方の面にアノード電極１４が配設され、他方の面にカソード電極１７が配設されてなるＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０の両側に配設されたセパレータ１８及び１９と、を備えた単セル１５を複数積層してなり、単セル１５の積層により隣接して配置されたセパレータ同士の接触面に、互いに係合する係合部を各々設けてなる燃料電池スタック２３である。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設されてなる膜−電極接合体と、当該膜−電極接合体の両側に配設されたセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、
前記単セルの積層により隣接して配置されたセパレータ同士の接触面に、互いに係合する係合部を各々設けてなる燃料電池スタック。
【請求項２】
前記セパレータ同士の接触面は、発電部に対応する領域と、マニホールド形成部及び縁部を有する非発電部に対応する領域と、を含み、前記係合部は、当該発電部に対応する領域及び前記縁部に対応する領域の少なくとも一方に設けてなる請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記隣接した一方のセパレータの接触面に形成された係合部は、凸状を備えた係合凸部からなり、他方のセパレータの接触面に形成された係合部は、当該係合凸部が係合する凹状を備えた係合凹部からなる請求項１または請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セパレータが凹凸形状を有し、当該凹凸形状の凸状部分の内側が流体流路となり、前記セパレータ同士の接触面は、当該凸状部分の外側頂面からなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記係合凸部によって、前記凸状部分の内側に凹状空間が形成されてなる請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記係合凸部が形成されてなるセパレータの流体流路に酸化剤ガスを流通させる請求項請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池スタックを備えてなる燃料電池。
【請求項８】
燃料電池に組み込まれる燃料電池用セパレータであって、
積層された際に、隣接するセパレータとの接触面に、当該隣接するセパレータと係合する係合部が形成されてなる燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池を搭載してなる燃料電池搭載車であって、
前記燃料電池スタックの単セル積層方向が、車両の前後方向対し交差する方向となるよう前記燃料電池を搭載してなる燃料電池搭載車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体と、当該膜−電極接合体の両側に配設されたセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池スタック及びこの燃料電池スタックを備えた燃料電池、及び燃料電池用セパレータ並びに燃料電池搭載車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなるアノード電極（燃料極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなるカソード電極（酸化剤極）と、からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡの両側に各々配設されたセパレータと、を備えた単セルを構成し、この単セルを複数積層して燃料電池スタックとしている。
【０００３】
このような構成を有する燃料電池スタックとして、例えば、表面にジグザグ状または複数の平行な凹溝からなる流体流路を有すると共に、当該流体流路と裏腹の位置における裏面に凸状が形成された一対の金属セパレータを、ＭＥＡの両側に各々配設して単セルを構成し、この金属セパレータを隣接させて積層してなる燃料電池スタックがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、このような燃料電池スタックを備えた燃料電池を、例えば、自動車等の車両に搭載した場合、例えば、外部から受ける振動等によって、前記燃料電池スタックに、セル積層体を横方向（セル積層方向と交差する方向）にずらそうとする力が作用することがある。このため、前記燃料電池スタックでは、積層された単セルに横ずれが生じることを防止するための種々の手段が採用されている。この手段としては、例えば、セルの外周部を固定したり、セル積層体に強い圧縮荷重をかける等が挙げられる。
【特許文献１】特開２００４−１２７７１１号公報
【特許文献２】特開２０００−９０９５６号公報
【特許文献３】特開２００３−１００３２２号公報
【特許文献４】特開２００２−１５７５１号公報
【特許文献５】特開２００２−３１３３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した特許文献１〜５に記載された従来技術では、積層した単セルに横ずれが生じることを防止するという課題については論じられておらず、その発想すら記載されていない。
【０００６】
また、積層された単セルに横ずれが生じることを防止するため、セルの外周部を固定する従来技術は、燃料電池スタックの体格（サイズ）が大きくなると共に、部品点数が増加してしまう。一方、セル積層体に強い圧縮荷重をかけることで、積層した単セルに横ずれが生じることを防止する従来技術では、前記荷重によりＭＥＡの耐久性が低下する虞がある。また、横ずれ防止のための摩擦力を確保する必要もある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、ＭＥＡの耐久性を維持できることは勿論のこと、体格が大きくなったり、部品点数を増加させることなく、積層された単セルに横ずれが生じることを防止することが可能な燃料電池スタック、この燃料電池スタックを備えた燃料電池、及び燃料電池用セパレータ、並びに燃料電池搭載車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するため、本発明は、電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設されてなるＭＥＡと、当該ＭＥＡの両側に配設されたセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、前記単セルの積層により隣接して配置されたセパレータ同士の接触面に、互いに係合する係合部を各々設けてなる燃料電池スタックを提供するものである。
【０００９】
この構成を備えた燃料電池スタックは、隣接して配置されたセパレータ同士の接触面に形成された係合部同士を係合させた状態で、各々の単セルを積層することができるため、積層された単セルに横ずれが生じることを防止することができる。より具体的には、隣接するセパレータ間の積層方向に交差する方向へのずれが生じることを抑制する（妨げる）ことができる。したがって、従来のように、積層された単セルの横ずれを防止するために、ＭＥＡに強い圧縮加重をかける必要がなく、ＭＥＡの耐久性に悪影響を及ぼすこともない。また、燃料電池スタックの体格が大きくなったり、部品点数が増加することもない。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記セパレータ同士の接触面は、発電部に対応する領域と、マニホールド形成部及び縁部を有する非発電部に対応する領域と、を含み、前記係合部は、当該発電部に対応する領域及び前記縁部に対応する領域の少なくとも一方に設けることができる。
【００１１】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記隣接した一方のセパレータの接触面に形成された係合部を、凸状を備えた係合凸部から構成し、他方のセパレータの接触面に形成された係合部を、当該係合凸部が係合する凹状を備えた係合凹部から構成することができる。
【００１２】
さらにまた、前記セパレータは、凹凸形状を有し、当該凹凸形状の凸状部分の内側が流体流路となり、前記セパレータ同士の接触面は、当該凸状部分の外側頂面からなるよう構成することもできる。
【００１３】
また、本発明にかかる燃料電池スタックでは、前記係合凸部によって、前記セパレータの凸状部分の内側に凹状空間を形成することもできる。ここで、前記凸状部分の内側が流体流路となる構成の場合、この流体流路（凸状部分の内側）に凹状空間を形成することで、当該流体流路の断面積を増加させることができる。このため、前記利点に加え、流体流路内で生じる圧力損失を小さくすることができる。また、隣接するセパレータ間の接触面が凹面あるいは凸面であるため、当該セパレータ間の接触面が平面状である場合と比べ、当該接触面積が大きくなるため、前記セパレータ間の接触抵抗が低減する。このため、発電効率がさらに向上する。さらにまた、前記凹状空間に生成水を通過させるようにすることで、流体が流通するための流路を確保することができ、より一層流体流路内で生じる圧力損失を小さくすることができる。
【００１４】
そしてまた、前記セパレータの凸状部分の内側（流体流路）に前記凹状空間を形成してなる構成の場合、この凹状空間が形成された流体流路に酸化剤ガスを流通させることがより好適である。
【００１５】
また、本発明は、前述した燃料電池スタックを備えてなる燃料電池を提供するものである。この燃料電池は、ＭＥＡに強い圧縮加重をかけることなく、積層された単セルに横ずれが生じることを防止することができるため、ＭＥＡの耐久性を維持することができる。また、体格が大きくなったり、部品点数が増加することもない。
【００１６】
なお、本発明では、セパレータがＭＥＡに積層された際に、外側となる面（ＭＥＡに接触する面とは反対側の面）から見て、突出している場合を「凸」とし、窪んでいる場合を「凹」として説明している。
【００１７】
そしてまた、本発明は、燃料電池に組み込まれる燃料電池用セパレータであって、積層された際に、隣接するセパレータとの接触面に、当該隣接するセパレータと係合する係合部が形成されてなる燃料電池用セパレータを提供するものである。
【００１８】
この構成を備えた燃料電池用セパレータは、隣接するセパレータとの接触面に、当該隣接するセパレータと係合する係合部が形成されているため、この係合部同士を係合させた状態で積層することができる。したがって、積層された際に、横ずれ（隣接するセパレータ間の積層方向に交差する方向へのずれ）が生じることを抑制する（妨げる）ことができる。
【００１９】
なお、前記セパレータの接触面は、前記積層方向に対して略垂直な面とすることができる。
【００２０】
また、本発明は、前述した本発明にかかる燃料電池を搭載してなる燃料電池搭載車であって、前記燃料電池スタックの単セル積層方向が、車両の前後方向対し交差する方向となるよう前記燃料電池を搭載してなる燃料電池搭載車を提供するものである。
【００２１】
ここで、通常、車等では、例えば、車両の発進時や制動時等に車両前後方向に慣性力が働くため、これに搭載された燃料電池の単セルの積層方向が、車両の前後方向対し交差する方向であると、この慣性力により単セルに横方向のずれ（前記積層方向に交差する方向へのずれ）が生じる。しかしながら、本発明にかかる燃料電池搭載車は、前記単セルの積層方向が、車両の前後方向対し交差する方向であっても、前記燃料電池の単セル同士（セパレータ同士）が、前記係合部によって係合しているため、前記積層方向に交差する方向へのずれが生じることを防止することができる。
【００２２】
前記単セルの積層方向は、特に限定されるものではないが、前記車両前後方向に対し略直交する方向となるように搭載することもできる。この車両前後方向に対し略直交する方向には、地面に対し略垂直であり且つ車両の前後方向対し略直交する方向と、地面に対し略水平であり且つ車両の前後方向対し略直交する方向がある。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる燃料電池スタック、この燃料電池スタックを備えた燃料電池、及び燃料電池用セパレータ、並びに燃料電池搭載車は、隣接して配置されたセパレータ同士の接触面に形成された係合部同士を係合させた状態で、各々の単セルを積層することができるため、積層された単セルに横ずれが生じることを防止することができる。このため、ＭＥＡに強い圧縮加重をかけて前記横ずれの発生を防止する必要がなく、ＭＥＡの耐久性を維持することができる。また、燃料電池スタックの体格が大きくなったり、部品点数が増加することもない。この結果、信頼性が向上すると共に、高性能でコンパクトな燃料電池スタック、燃料電池、及び燃料電池用セパレータ、並びに燃料電池搭載車を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池スタック及び燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２５】
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池において、セル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図、図２は、本実施の形態にかかる燃料電池スタックの構成要素である単セルの一部を拡大して示す断面図、図３は、図２に示す単セルを複数積層した状態の一部を示す断面図である。
【００２６】
なお、本実施の形態で説明する燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば、燃料電池自動車等に搭載することができるが、自動車以外に用いられてもよいことは勿論である。
【００２７】
図１〜図３に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置されたアノード電極１４（燃料極）と、電解質膜１１の他面に配置されたカソード電極１７（酸化剤極）と、からなるＭＥＡ１０（膜−電極接合体）と、このＭＥＡ１０を挟んでアノード電極１４側に配設されたセパレータ１８と、ＭＥＡ１０を挟んでカソード電極１７側に配設されたセパレータ１９と、を重ねて構成された単セル１５を備えている。そして、この単セル１５を１層以上積層してモジュール９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、このモジュール９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置して燃料電池スタック２３を構成し、燃料電池スタック２３をセル積層方向に締め付けて燃料電池スタック２３の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
【００２８】
ＭＥＡ１０を挟んでアノード電極１４側に配設されたセパレータ１８は、特に図２に拡大して示すように、凸状部分３１Ａと凹状部分３２Ａとが交互に且つ並列に複数配設された凹凸形状を備えており、凸状部分３１Ａの内側が流体流路３３Ａとなっている。この流体流路３３Ａには、燃料ガス（本実施の形態では水素）が流通し、ＭＥＡ１０に燃料ガスを供給するようになっている。
【００２９】
セパレータ１８及び１９は、例えば、金属を基材とする導通体であり、互いに隣接するセルに供給される異種流体の混合を防ぐ役割を果たす。
【００３０】
セパレータ１８の凸状部分３１Ａの外側頂面３４Ａには、凹状の係合凹部３５が形成されており、この係合凹部３５は、流体流路３３Ａ内では凸状となって存在している。この係合凹部３５は、流体流路３３Ａを流通する燃料ガスの流れ方向に沿って形成されている。そして、この係合凹部３５には、後に詳述するセパレータ１９の外側頂面３４Ｂに形成された係合凸部３７が嵌合するようになっている。そして、外側頂面３４Ａ及び外側頂面３４Ｂの接触面は、単セルの積層方向に対して略垂直な面となっている。すなわち、隣接するセパレータ同士の接触面は、単セルの積層方向に対して略垂直な面となっている。
【００３１】
ＭＥＡ１０を挟んでカソード電極１７側に配設されたセパレータ１９は、特に図２に拡大して示すように、凸状部分３１Ｂと凹状部分３２Ｂとが交互に且つ並列に複数配設された凹凸形状を備えており、凸状部分３１Ｂの内側が流体流路３３Ｂとなっている。この流体流路３３Ｂには、酸化剤ガス（本実施の形態では空気）が流通し、ＭＥＡ１０に酸化剤ガスを供給するようになっている。
【００３２】
セパレータ１９の凸状部分３１Ｂの外側頂面３４Ｂには、凸状の係合凸部３７が形成されており、この係合凸部３７によって、流体流路３３Ｂ内に凹状空間３８が形成されている。この係合凸部３７は、流体流路３３Ｂを流通する酸化剤ガスの流れ方向に沿って形成されており、前述した係合凹部３５に嵌合するようになっている。なお、後に詳述するが、凹状空間３８には、生成水が流れる流路とすることができる。
【００３３】
単セル１５を積層する際は、先ず、最初の単セル１５のセパレータ１８に、次の単セル１５のセパレータ１９を重ね合わせるが、この時、最初の単セル１５の係合凹部３５に、次の単セル１５の係合凸部３７を嵌合させる。このようにすることで、最初の単セル１５と、この単セル１５に積層された次の単セル１５は、係合凹部３５と係合凸部３７との係合により、互いに横ずれ、すなわち、隣接するセパレータ間の積層方向に交差する方向へのずれが生じることを抑制する（妨げる）ことができる。このようにして、図３に示すように複数の単セル１５を積層し、燃料電池スタック２３を形成する。
【００３４】
なお、複数の単セル１５を積層することにより、単セル１５と、この単セル１５に隣接した単セル１５との間に形成される空間４０（図３参照）は、冷却水流路となる。
【００３５】
本実施の形態にかかる燃料電池１では、流体流路３３Ａに燃料ガス（水素）が供給され、流体流路３３Ｂに酸化剤ガス（空気）が供給されると、
アノード電極側では、    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード電極側では、    （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、    Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
の電池反応が起こる。
【００３６】
この電池反応により、カソード電極１７側で生じた生成水は、流体流路３３Ｂ内に形成された凹状空間３８を通って外部に排出される。したがって、生成水が、酸化剤ガスの流通を邪魔することがなく、酸化剤ガスの流路を確保することができ、流体流路３３Ｂ内で生じる圧力損失を小さくすることができる共に、生成水の排出性を向上することができる。
【００３７】
また、凹状空間３８の存在によって、流体流路３３Ｂの断面積（容積）が、大きくなるため、流体流路３３Ｂ内で生じる圧力損失をより一層小さくすることができる。そしてまた、隣接するセパレータ間の接触面が凹面あるいは凸面であるため、当該セパレータ間の接触面が平面状である場合と比べ、当該接触面積が大きくなるため、前記セパレータ間の接触抵抗が低減する。
【００３８】
なお、本発明にかかる燃料電池１は、車両の前後方向対し交差する方向となるように車両に搭載され、図示しない燃料電池搭載車が提供される。この燃料電池搭載車では、搭載された燃料電池１の構成要素である単セル１５同士（セパレータ同士）が、係合凹部３５と係合凸部３７とによって互いに係合した状態となっている。このため、単セル１５の積層方向が、車両の前後方向対し交差する方向となるように前記車両に搭載した際に、例えば、車両の発進時や制動時等に車両前後方向に慣性力が働いても、この慣性力により、単セル１５が前記積層方向に交差する方向へずれることがない。したがって、本発明にかかる燃料電池１は、車両の前後方向対し交差する方向となるように車両に搭載することができる。
【００３９】
単セル１５の積層方向は、特に限定されるものではないが、前記車両前後方向に対し略直交する方向となるように搭載することもできる。この車両前後方向に対し略直交する方向には、地面に対し略垂直であり且つ車両の前後方向対し略直交する方向と、地面に対し略水平であり且つ車両の前後方向対し略直交する方向がある。
【００４０】
また、燃料電池１は、単セル１５の積層方向が、前記車両前後方向に対し略平行となるように前記車両に搭載してもよい。
【００４１】
なお、本実施の形態では、凹凸形状を備えたセパレータ１８及び１９を適用した場合について説明したが、これに限らず、セパレータは、ＭＥＡ１０に積層された際に、ＭＥＡ１０とは反対側となる面が、平面（フラット）形状のものを適用してもよい。この場合、係合凹部３５及び係合凸部３７は、セパレータ同士の接触面のうち、任意の場所に形成することができる。例えば、発電部に対応する任意の場所であってもよく、非発電部に対応する任意の場所であってもよい。さらに好適には、係合凹部３５及び係合凸部３７は、発電部に対応する任意の場所や、マニホールド形成部を除く非発電部に対応する任意の場所に設けることができる。また、流体流路に対応する外側面に形成してもよい。
【００４２】
そしてまた、本実施の形態では、流体流路３３Ａ及び３３Ｂの形状を、ＭＥＡ１０側が広く、ＭＥＡ１０から離れた側が狭い、断面略台形状とした場合について説明したが、これに限らず、流体流路３３Ａ及び３３Ｂの形状は、例えば、断面略矩形等、所望により決定することができる。また、本実施の形態では、流体流路３３Ａ及び３３Ｂがストレート流路である場合について説明したが、これに限らず、サーペンタイン流路が形成されていてもよい。
【００４３】
また、本実施の形態では、係合凸部３７を形成することで流体流路３３Ｂ内に凹状空間３８を形成した場合について説明したが、これに限らず、係合凸部３７は、例えば、図４に示すように、セパレータ１９と一体的に成型された凸状部から構成してもよく、また、図５に示すように、セパレータ１９にリブ等の凸状となる部材を後付けしてもよい。
【００４４】
さらにまた、本実施の形態では、係合凹部３５を形成することで、流体流路３３Ａに凸状部が存在している場合について説明したが、これに限らず、例えば、凸状部分３１Ａの外側頂面３４Ａの厚さを確保して、係合凹部３５が流体流路３３Ａ内に突出しないようにすることもできる。
【００４５】
そしてまた、本実施の形態では、係合部として、係合凹部３５及び係合凸部３７を形成した場合について説明したが、これに限らず、係合部の形状は、隣接した単セル１５同士を係合可能な形状であれば、特に限定するものではない。また、係合凹部３５及び係合凸部３７の設置数は、任意に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックを備えた燃料電池において、セル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックの構成要素である単セルの一部を拡大して示す断面図である。
【図３】図２に示す単セルを複数積層した状態の一部を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態にかかる単セルの一部を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施の形態にかかる単セルの一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池、１１…電解質膜、１４…アノード電極、１５…単セル、１７…カソード電極、１８、１９…セパレータ、２３…燃料電池スタック、３１Ａ、３１Ｂ…凸状部分、３２Ａ、３２Ｂ…凹状部分、３３Ａ、３３Ｂ…流体流路、３４Ａ、３４Ｂ…外側頂面、３５…係合凹部、３７…係合凸部、３８…凹状空間
【図１】
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【図２】
2006309989.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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