(57)【要約】【課題】燃料電池スタックのガスケットの十分なシール性を確保する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、各々が一対のセパレータ１１，１２によって膜電極接合体が挟持されている複数の単セル１０と、積層された各単セルの間を封止するように配置されているガスケットＧＫ１〜ＧＫ５と、を備え、一対のセパレータ１１，１２は、第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２とを有し、第１のセパレータ１１は、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５が配置される溝部１５を有し、溝部１５の外周側には、隣接する他のセパレータに向かって突出する外周フランジ部１４が形成され、溝部の内周側には、隣接する他のセパレータに向かって突出する内周フランジ部１３が形成され、外周フランジ部１４とガスケットＧＫ１〜ＧＫ５との間には、第１のセパレータ１１の一部である切欠辺が起立している複数の壁体１６が形成されている。【選択図】図３
2018116822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
各々が一対のセパレータによって膜電極接合体が挟持されている複数の単セルと、
積層された各前記単セルの間を封止するように配置されているガスケットと、
を備え、
前記一対のセパレータは、第１のセパレータと第２のセパレータとを有し、
前記第１のセパレータは、前記ガスケットが配置される溝部を有し、
前記溝部の外周側には、隣接する他のセパレータに向かって突出する外周フランジ部が形成され、
前記溝部の内周側には、隣接する前記他のセパレータに向かって突出する内周フランジ部が形成され、
前記外周フランジ部と前記ガスケットとの間には、前記第１のセパレータの一部である切欠辺が起立している複数の壁体が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスケットを設置するための溝を有するセパレータが知られている（例えば、特許文献１）。一般に、セパレータの有する溝は、プレス成形を用いて作成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−００４８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、プレス成形によってセパレータに溝を作成する場合、壁面を垂直に形成するのは困難であり、壁面は傾斜する。壁面が傾斜していると、ガスケットに圧力がかかった際に、ガスケットは溝の外へ移動しやすくなる。そのため、ガスケットが外周フランジ傾斜壁に乗り上げやすい。ガスケットが外周フランジ傾斜壁に乗り上げると、ガスケットとセパレータとの間に隙間が生じ、セパレータ間の十分なシール性を確保できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
第１の態様によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、燃料電池スタックであって、各々が一対のセパレータによって膜電極接合体が挟持されている複数の単セルと、積層された各前記単セルの間を封止するように配置されているガスケットと、を備え、前記一対のセパレータは、第１のセパレータと第２のセパレータとを有し、前記第１のセパレータは、前記ガスケットが配置される溝部を有し、前記溝部の外周側には、隣接する他のセパレータに向かって突出する外周フランジ部が形成され、前記溝部の内周側には、隣接する前記他のセパレータに向かって突出する内周フランジ部が形成され、前記外周フランジ部と前記ガスケットとの間には、前記第１のセパレータの一部である切欠辺が起立している複数の壁体が形成されている。
【０００７】
この燃料電池スタックによれば、ガスケットに圧力がかり、ガスケットが外周フランジ部の方向に移動する場合であっても、ガスケットは切欠辺が起立している壁体により移動が制限される。この結果、ガスケットは、外周フランジ部に到達せず、各単セル間の十分なシール性を確保することができる。
【０００８】
本開示は、上記形態の燃料電池スタック以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記形態の燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える燃料電池車等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す概略図。
【図２】第１実施形態に係る単セルの第１のセパレータをＭＥＡ配置側とは反対から見た平面図。
【図３】第１実施形態に係る単セルの酸化ガス出口マニホールド付近の断面図。
【図４】変形例に係る単セルの酸化ガス出口マニホールド付近の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る燃料電池スタック１００を示す概略図である。燃料電池スタック１００は、一対のエンドプレート７０ａ、７０ｂと、一対の絶縁板８０ａ、８０ｂと、一対の集電板９０ａ、９０ｂと、複数の単セル１０と、を備えている。燃料電池スタック１００は、スタック構造を有し、第１のエンドプレート７０ａと、第１の絶縁板８０ａと、第１の集電板９０ａと、複数の単セル１０と、第２の集電板９０ｂと、第２の絶縁板８０ｂと、第２のエンドプレート７０ｂとが、この順に積層されている。積層された複数の単セル１０間には、ガスケットＧＫが配置されている。単セル１０は、燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスである空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル１０において電気化学反応により発生した電力は、集電板９０ａ、９０ｂから取り出される。燃料電池スタック１００は、例えば車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として使用される。また、定置型の家庭用電源としても使用される。
【００１１】
単セル１０は、一対の板状のセパレータ１１、１２と、セパレータ１１、１２の中央領域に挟持された膜電極接合体（「ＭＥＡ」とも呼ぶ）（図示しない）を有している。ＭＥＡの外周には、絶縁性を有する樹脂製のフレーム部材２０が設けられている。
【００１２】
第１のセパレータ１１および第２のセパレータ１２は、ガス遮断性および電気伝導性を有する部材、例えば、プレス成形されたステンレス鋼によって形成されている。ＭＥＡと対向する各セパレータ１１、１２の面には、燃料ガスもしくは酸化ガスをＭＥＡに供給するための溝状の反応ガス流路（図示しない）が形成されている。
【００１３】
図２は、第１実施形態に係る単セル１０の第１のセパレータ１１をＭＥＡの配置側とは反対から見た平面図である。第１実施形態に係る第１のセパレータ１１は、ＭＥＡのアノード側に配置されている。
【００１４】
図２に示すように、第１のセパレータ１１の長手方向の一方の端部には、燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１と、酸化ガス入口マニホールド形成部Ｍ３と、冷却媒体入口マニホールド形成部Ｍ５と、が設けられ、他方の端部には、燃料ガス出口マニホールド形成部Ｍ２と、酸化ガス出口マニホールド形成部Ｍ４と、冷却媒体出口マニホールド形成部Ｍ６と、が設けられ、中央領域には冷却媒体入口マニホールド形成部Ｍ５と冷却媒体出口マニホールド形成部Ｍ６とを接続する冷却媒体流路１７が設けられている。第１のセパレータ１１は、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５を配置するための溝部１５を有している。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、溝部１５に配置されている。
【００１５】
燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１は、外部から供給される燃料ガスを内部燃料ガス流路（図示しない）へと供給する。燃料ガス出口マニホールド形成部Ｍ２は、内部燃料ガス流路から燃料ガスを排出する。酸化ガス入口マニホールド形成部Ｍ３は、外部から供給される酸化ガスを内部酸化ガス流路（図示しない）へと供給する。酸化ガス出口マニホールド形成部Ｍ４は、内部酸化ガス流路から酸化ガスを排出する。冷却媒体入口マニホールド形成部Ｍ５は、外部から供給される冷却媒体を冷却媒体流路１７へと供給する。冷却媒体出口マニホールド形成部Ｍ６は、冷却媒体流路１７から冷却媒体を排出する。マニホールド形成部Ｍ１〜Ｍ６は、複数の単セル１０が積層された場合に、積層方向に延びる各マニホールドを形成する。
【００１６】
第１のセパレータ１１は、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５を配置するための溝部１５を有する。溝部１は、第１のセパレータ１１の外縁と、開口部の周囲と、流路の周囲と、に形成されている。開口部には、例えば、燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１、燃料ガス出口マニホールド形成部Ｍ２、酸化ガス入口マニホールド形成部Ｍ３、および酸化ガス出口マニホールド形成部Ｍ４が含まれる。流路には、例えば、冷却媒体流路１７が含まれる。溝部１５は、燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１、燃料ガス出口マニホールド形成部Ｍ２、酸化ガス入口マニホールド形成部Ｍ３、および酸化ガス出口マニホールド形成部Ｍ４、のそれぞれの周囲に形成されている。溝部１５は、冷却媒体入口マニホールド形成部Ｍ５と冷却媒体流路１７と冷却媒体出口マニホールド形成部Ｍ６とを含む領域の周囲にも形成される。溝部１５の内周側には内周フランジ部１３が形成され、外周側には外周フランジ部１４が形成されている。
【００１７】
内周フランジ部１３は、隣接する他の単セル１０の側に突出し、複数の単セル１０が積層された際に、隣接する他の単セル１０の第２のセパレータ１２が有する内周フランジ部１３と接する。内周フランジ部１３と溝部１５の底面とは内周フランジ傾斜壁１３ａによって接続されている。
【００１８】
外周フランジ部１４は、図２に示すように、第１のセパレータ１１の外縁部に形成されている。外周フランジ部１４は、隣接する他の単セル１０側に突出し、複数の単セル１０が積層された際に、隣接する他の単セル１０の第２のセパレータ１２が有する外周フランジ部１４と接する。外周フランジ部１４と溝部１５の底面とは外周フランジ傾斜壁１４ａによって接続されている。
【００１９】
内周フランジ部１３と外周フランジ部１４とは、複数の単セル１０を積層した燃料電池スタック１００を締結する際に、単セル１０間の空間を保持することにより、単セル１０とガスケットＧＫ１〜ＧＫ５との間に過大な押圧力が発生することを防止する。内周フランジ部１３と外周フランジ部１４とは、プレス加工、例えば、曲げ加工や絞り加工、によって成形せれている。プレス加工によって、垂直もしくは鈍角の壁面を形成することは困難であり、溝部１５の底面と外周フランジ傾斜壁１４ａとの角度は鋭角となる。溝部１５と外周フランジ傾斜壁１４ａとの角度が鋭角であると、ガスケットＧＫが外周フランジ傾斜壁１４ａへ乗り上げ、ガスケットＧＫが十分なシール性を発揮できない場合があった。「鋭角」とは、ガスケットＧＫが乗り上げやすい角度を意味し、具体的には６０°以下の角度が該当する。
【００２０】
ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、溝部１５に設置されている。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、複数の単セル１０を積層した際に、隣接する他の単セル１０の表面に当接し、２つの単セル１０の間を封止する機能を有する。ガスケットＧＫは、燃料ガスの漏洩を抑制するガスケットＧＫ１及びガスケットＧＫ２と、酸化ガスの漏洩を抑制するガスケットＧＫ３及びガスケットＧＫ４と、冷却水の漏洩を抑制するガスケットＧＫ５と、を有している。ガスケットＧＫ１は、燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１の周囲に配置されている。ガスケットＧＫ２は、燃料ガス出口マニホールド形成部Ｍ２の周囲に配置されている。ガスケットＧＫ３は、酸化ガス入口マニホールド形成部Ｍ３の周囲に配置されている。ガスケットＧＫ４は、酸化ガス出口マニホールド形成部Ｍ４の周囲に配置されている。ガスケットＧＫ５は、冷却媒体入口マニホールド形成部Ｍ５と冷却媒体流路１７と冷却媒体出口マニホールド形成部Ｍ６とを含む領域の周囲に配置されている。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５と接する第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２との摩擦力によって設置位置に保持されている。
【００２１】
複数の壁体１６は、図２に示すように、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５と外周フランジ傾斜壁１４ａとの間に、外周フランジ傾斜壁１４ａに沿って形成されている。壁体１６は、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５によって封止された空間内を燃料ガス、酸化ガス、もしくは冷却媒体が移動することにより生じる圧力により移動するガスケットＧＫ１〜ＧＫ５の外周フランジ傾斜壁１４ａへの乗り上げを防止する。なお、破線で表した箇所は、壁体１６を形成する際に切り欠かれた場所を示している。
【００２２】
図３は、第１実施形態に係る単セル１０の燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１付近の断面図である。破線で示した第２のセパレータ１２は、隣接する他の単セル１０の第２のセパレータ１２である。以下では、壁体１６について詳しく述べる。
【００２３】
壁体１６は、第１のセパレータ１１の一部が一辺を残して切られた切欠辺を折り曲げ、起立させることによって形成されている。具体的には、鋭利なパンチを用いた切り込み加工によって第１のセパレータに一辺を残したきり切欠辺を作成した後に、押圧し切欠辺を折り曲げ起立させることにより、壁体１６を形成することができる。もしくは、パンチによる切り曲げ加工によって、第１のセパレータをせん断し切欠辺を作ると同時に切欠辺を押圧し起立させることにより、壁体１６を形成してもよい。ここで、「起立」とは、壁体１６の壁面と溝部１５の底面との角度θ１が、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５の乗り上げを防止可能な角度である状態を意味する。具体的には、角度θ１は、８０°以上であり、垂直であることが好ましい。「垂直」とは、９０±１０°の範囲の角度を意味する。
【００２４】
ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５には、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５によって封止された空間内を燃料ガス、酸化ガス、もしくは冷却媒体が移動することにより圧力がかかる。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、圧力がかかった際に、内周フランジ部１３側から外周フランジ部１４側へと移動する場合がある。移動するガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、外周フランジ傾斜壁１４ａより先に壁体１６に当たる。壁体１６は８０°以上であるため、傾斜した壁面と比べて、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５が乗り上げにくく、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５の移動を停止しやすい。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５の移動が停止するため、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５の外周フランジ傾斜壁１４ａへの乗り上げを抑制又は防止することができる。
【００２５】
以上説明した第１実施形態の燃料電池スタック１００によれば、複数の垂直な壁体１６をガスケットＧＫと外周フランジ部１４との間に備えるため、圧力がかかることによって移動するガスケットＧＫを外周フランジ部１４に当たる前に停止させることができる。これにより、ガスケットＧＫが外周フランジ傾斜壁１４ａに乗り上げることを抑制又は防止する。その結果、十分なシール性が確保することができる。
【００２６】
Ｂ．変形例１
図４は、変形例に係る単セル５０の燃料ガス入口マニホールド形成部Ｍ１付近の断面図である。図３で示した第１実施形態との違いは、壁体５６が張り出し成形によって形成されている点と壁体５６が外周フランジ部を兼ねている点である。これら以外の構成は、第１実施形態と同様であるので図示および説明を省略する。
【００２７】
変形例１における壁体５６は、張り出し加工により成形されている。張り出し加工は、曲げ加工や絞り加工と比べ傾斜の大きな壁面を成形することが可能である。また、壁体５６の壁面と溝部５５の底面との角度θ２はガスケットＧＫ１〜ＧＫ５の乗り上げを防止可能な角度であり、具体的には８０°以上であり、垂直であることが好ましい。壁体５６の壁面は８０°以上であるため、従来の外周フランジ傾斜面と比べて、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５が乗り上げにくい。その結果、十分なシール性が確保することができる。第１実施形態の壁体１６とは異なり、壁体５６は剛性を持つ構造を有している。そのため、壁体５６は、第１実施形態における外周フランジ部１４の役割を兼ねることができる。その結果、外周フランジ部が不要となるため、単セル５０の体格を第１実施形態に係る単セル１０と比べて小さくすることが可能である。
【００２８】
本開示は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１０、５０…単セル
１１、５１…第１のセパレータ
１２、５２…第２のセパレータ
１３、５３…内周フランジ部
１３ａ、５３ａ…内周フランジ傾斜壁
１４…外周フランジ部
１４ａ…外周フランジ傾斜壁
１５、５５…溝部
１６、５６…壁体
１７…冷却媒体流路
２０、６０…フレーム部材
ＧＫ、ＧＫ１〜ＧＫ５…ガスケット
Ｍ１…燃料ガス入口マニホールド形成部
Ｍ２…燃料ガス出口マニホールド形成部
Ｍ３…酸化ガス入口マニホールド形成部
Ｍ４…酸化ガス出口マニホールド形成部
Ｍ５…冷却媒体入口マニホールド形成部
Ｍ６…冷却媒体出口マニホールド形成部
７０ａ、７０ｂ…エンドプレート
８０ａ、８０ｂ…絶縁板
９０ａ、９０ｂ…集電板
１００…燃料電池スタック
【図１】
2018116822.tif 000003
【図２】
2018116822.tif 000004
【図３】
2018116822.tif 000005
【図４】
2018116822.tif 000006