(57)【要約】【課題】金属シール部の塑性変形を抑制すること。【解決手段】積層された複数の単セルと、複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備え、複数の単セルは、マニホールドの周りに配置されて流体を封止する中空状の第１突出部からなる金属シール部を有する第１セパレータと、第１セパレータが一方を構成する１対のセパレータの他方を構成し且つ金属シール部が突出する側とは反対側に配置された第２セパレータに対して第１セパレータとは反対側に設けられた弾性部材と、を備え、複数の単セルのうちの第１単セルの金属シール部は第１単セルに隣接する第２単セルの弾性部材に当接して変形していて、複数の単セルは、金属シール部の中空内に金属シール部の変形量を制限する第２突出部を備える、燃料電池スタック。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の単セルと、
前記複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備え、
前記複数の単セルは、前記マニホールドの周りに配置されて前記流体を封止する中空状の第１突出部からなる金属シール部を有する第１セパレータと、前記第１セパレータが一方を構成する１対のセパレータの他方を構成し且つ前記金属シール部が突出する側とは反対側に配置された第２セパレータに対して前記第１セパレータとは反対側に設けられた弾性部材と、を備え、
前記複数の単セルのうちの第１単セルの前記金属シール部は前記第１単セルに隣接する第２単セルの前記弾性部材に当接して変形していて、
前記複数の単セルは、前記金属シール部の中空内に前記金属シール部の変形量を制限する第２突出部を備える、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関する。
【背景技術】
【０００２】
積層された複数の単セルと、複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備える燃料電池スタックが知られている。マニホールドを流れる流体が単セル間で外部に漏れることを抑制するため、マニホールドの周りにシール部を設けて流体を封止することが行われている。例えば、セパレータにマニホールドの周りに位置する中空状の突出部からなる金属シール部を設け、この金属シール部が隣接する単セルに当接することで流体を封止することが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８３７１５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属シール部が隣接する単セルに当接することで流体を封止する場合、金属シール部が大きく変形して塑性変形となることがある。金属シール部が塑性変形すると、金属シール部からの反力が弱くなってシール面圧が低下することや、金属シール部が元の形状に戻らないために再度の組み付けが難しくなることなどが生じる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、金属シール部の塑性変形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、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備え、前記複数の単セルは、前記マニホールドの周りに配置されて前記流体を封止する中空状の第１突出部からなる金属シール部を有する第１セパレータと、前記第１セパレータが一方を構成する１対のセパレータの他方を構成し且つ前記金属シール部が突出する側とは反対側に配置された第２セパレータに対して前記第１セパレータとは反対側に設けられた弾性部材と、を備え、前記複数の単セルのうちの第１単セルの前記金属シール部は前記第１単セルに隣接する第２単セルの前記弾性部材に当接して変形していて、前記複数の単セルは、前記金属シール部の中空内に前記金属シール部の変形量を制限する第２突出部を備える、燃料電池スタックである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、金属シール部の塑性変形を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１における単セルの分解平面図、図２（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。
【図３】図３（ａ）は、積層前の単セルの金属シール部での断面図、図３（ｂ）は、積層後の単セルの金属シール部での断面図である。
【図４】図４（ａ）は、比較例における単セルの積層前の断面図、図４（ｂ）は、積層後の断面図である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１の変形例１から変形例３における単セルの積層前の断面図、図５（ｄ）は、実施例１の変形例３における単セルの積層後の断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１の変形例４及び変形例５における単セルの積層前の断面図、図６（ｃ）は、実施例１の変形例５における単セルの積層後の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。図１のように、燃料電池スタック１００は、単セル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層体１２の積層方向両端を挟持する１対のエンドプレート１４と、を備える。単セル１０は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。
【００１１】
１対のエンドプレート１４のうちの一方のエンドプレート１４からセル積層体１２を貫通するマニホールドが設けられている。マニホールドは、燃料ガス用の燃料ガス供給マニホールド１６及び燃料ガス排出マニホールド１８と、酸化剤ガス用の酸化剤ガス供給マニホールド２０及び酸化剤ガス排出マニホールド２２と、冷媒用の冷媒供給マニホールド２４及び冷媒排出マニホールド２６と、を含む。
【００１２】
図２（ａ）は、実施例１における単セルの分解平面図、図２（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。図２（ａ）のように、単セル１０は、アノード側セパレータ３８ａと、カソード側セパレータ３８ｃと、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）４０と、ＭＥＧＡ４０を囲む絶縁フレーム４６と、を備える。アノード側セパレータ３８ａ、カソード側セパレータ３８ｃ、絶縁フレーム４６の順に配置されている。アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。絶縁フレーム４６は、ゴム又はエラストマー樹脂（例えば熱可塑性エラストマー樹脂）などの弾性部材によって形成されている。
【００１３】
アノード側セパレータ３８ａのカソード側セパレータ３８ｃと反対側の面には、燃料ガス供給マニホールド１６と燃料ガス排出マニホールド１８とを連通し、燃料ガスが流れるアノードガス流路４２ａが形成されている。カソード側セパレータ３８ｃのアノード側セパレータ３８ａとは反対側の面には、酸化剤ガス供給マニホールド２０と酸化剤ガス排出マニホールド２２とを連通し、酸化剤ガスが流れるカソードガス流路４２ｃが形成されている。アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃそれぞれの対向する側の面には、冷媒供給マニホールド２４と冷媒排出マニホールド２６とを連通し、冷媒が流れる冷媒流路４４が形成されている。
【００１４】
アノード側セパレータ３８ａには、燃料ガス供給マニホールド１６及び燃料ガス排出マニホールド１８を流れる燃料ガスが外部に漏れることを抑制するための金属シール部５０が設けられている。金属シール部５０は、燃料ガス供給マニホールド１６、燃料ガス排出マニホールド１８、及びアノードガス流路４２ａの周りを囲んで設けられている。
【００１５】
図２（ｂ）のように、ＭＥＧＡ４０は、電解質膜３２と、電解質膜３２の一方の面に設けられたアノード触媒層３４ａと、他方の面に設けられたカソード触媒層３４ｃと、を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３０を含む。電解質膜３２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層３４ａ及びカソード触媒層３４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
【００１６】
ＭＥＡ３０の両側に１対のガス拡散層（アノードガス拡散層３６ａとカソードガス拡散層３６ｃ）が配置されている。ＭＥＡ３０と１対のガス拡散層とによってＭＥＧＡ４０が形成される。アノードガス拡散層３６ａ及びカソードガス拡散層３６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。
【００１７】
図３（ａ）は、積層前の単セルの金属シール部での断面図、図３（ｂ）は、積層後の単セルの金属シール部での断面図である。なお、以下の構造は、燃料ガス供給マニホールド１６、燃料ガス排出マニホールド１８、酸化剤ガス供給マニホールド２０、酸化剤ガス排出マニホールド２２、冷媒供給マニホールド２４、及び冷媒排出マニホールド２６の周りに配置される金属シール部のいずれにも適用することができる。
【００１８】
図３（ａ）のように、アノード側セパレータ３８ａには、マニホールドを流れる流体が燃料電池スタック１００の外部に漏れないように封止する金属シール部５０が形成されている。金属シール部５０は、メタルバネとしての機能が発揮されるように中空状の突出部で形成され、内側に中空５２を有する。金属シール部５０の突出した側を頂部４９とし、反対側を底部５１とする。金属シール部５０は、例えばアノード側セパレータ３８ａに対してプレス加工を行うことで形成される。
【００１９】
カソード側セパレータ３８ｃは、金属シール部５０が突出する側とは反対側に配置されている。カソード側セパレータ３８ｃは、金属シール部５０に対向する部分が金属シール部５０の中空５２側に折れ曲がっていて、金属シール部５０の中空５２内に金属シール部５０の底部５１側から突出した突出部５４を形成している。つまり、突出部５４は、金属シール部５０の中空５２内に金属シール部５０と同じ方向から突出して設けられている。単セルが積層される前においては、突出部５４の頂部５３及び側部５５は金属シール部５０に接してなく、その間に空隙６０を有する。突出部５４は、例えば金属シール部５０の延在方向に沿って延在し、金属シール部５０と同様の形状となってマニホールドの周りに設けられている。なお、突出部５４は、所々で途切れていて、複数に分離されていてもよい。突出部５４は、例えばカソード側セパレータ３８ｃに対してプレス加工を行うことで形成される。
【００２０】
絶縁フレーム４６は、カソード側セパレータ３８ｃとは反対側の面のうちのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の直上に位置する部分に突起５６を有する。突起５６は、金属シール部５０の延在方向に沿って延在し、金属シール部５０と同様の形状となってマニホールドの周りに設けられている。
【００２１】
カソード側セパレータ３８ｃによって形成された突出部５４と絶縁フレーム４６との間に充填物５８が埋め込まれている。充填物５８は、例えば絶縁フレーム４６とは異なる絶縁材料又はカソード側セパレータ３８ｃとは異なる金属材料からなる。
【００２２】
図３（ｂ）のように、セル積層体１２のうちの第１単セル１０ａのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０は、第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂの絶縁フレーム４６に設けられた突起５６に当接して変形している。これにより、マニホールドを流れる流体は封止されている。金属シール部５０は、例えば突出部５４の頂部５３に当接しているが、頂部５３に当接せずにその間に空隙が形成されている場合でもよい。
【００２３】
ここで、実施例１の効果を説明するにあたり、比較例の燃料電池スタックについて説明する。図４（ａ）は、比較例における単セルの積層前の断面図、図４（ｂ）は、積層後の断面図である。図４（ａ）のように、比較例においては、カソード側セパレータ３８ｃによる突出部５４は形成されてなく、アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃの両方に中空状の突出部からなる金属シール部５０が設けられている。アノード側セパレータ３８ａの金属シール部５０とカソード側セパレータ３８ｃの金属シール部５０とは互いに反対方向に突出している。絶縁フレーム４６には両面に突起５６が設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２４】
図４（ｂ）のように、第１単セル１０ａの絶縁フレーム４６に設けられた突起５６は、第１単セル１０ａのカソード側セパレータ３８ｃに設けられた金属シール部５０と第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０とに当接している。これにより、アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃそれぞれの金属シール部５０が変形してマニホールドを流れる流体は封止される。
【００２５】
しかしながら、比較例では、アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃそれぞれの金属シール部５０は、圧縮量によっては塑性変形となるまで大きく凹む場合がある。金属シール部５０が塑性変形すると、金属シール部５０からの反力が弱くなってシール面圧が低下することや、金属シール部５０が元の形状に復元しなくなるために再度の組み付けができないことが生じる。
【００２６】
これに対し、実施例１では、図３（ｂ）のように、金属シール部５０の中空５２内に設けられた突出部５４によって金属シール部５０の変形が制限されている。つまり、突出部５４は金属シール部５０の変形を制限する役割を担う。これにより、突出部５４の高さを金属シール部５０の変形が弾性変形に留まる高さに設定することで、金属シール部５０が塑性変形となることを抑制できる。金属シール部５０が弾性変形している場合は、金属シール部５０の反力が大きいため、マニホールドを流れる流体を十分に封止することができる。
【００２７】
また、実施例１によれば、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられ、金属シール部５０と絶縁フレーム４６とは突起５６で当接している。これにより、金属シール部５０と絶縁フレーム４６との接触面圧を高めることができ、流体の封止をより確実に行うことができる。なお、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられていない場合でもよい。
【００２８】
なお、実施例１では、突出部５４と絶縁フレーム４６との間に充填物５８が埋め込まれている場合を例に示したが、カソード側セパレータ３８ｃによって形成される突出部５４が十分に大きな剛性を有し、金属シール部５０の変形を制限することが可能であれば、充填物５８は設けられていなくてもよい。
【００２９】
図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１の変形例１から変形例３における単セルの積層前の断面図、図５（ｄ）は、実施例１の変形例３における単セルの積層後の断面図である。図５（ａ）のように、実施例１の変形例１では、絶縁フレーム４６がカソード側セパレータ３８ｃによって形成された突出部５４の内側に埋め込まれている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。図５（ｂ）のように、実施例１の変形例２では、突出部５４の内側にもカソード側セパレータ３８ｃが設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００３０】
実施例１では、突出部５４と絶縁フレーム４６との間に絶縁フレーム４６及びカソード側セパレータ３８ｃとは異なる材料からなる充填物５８が埋め込まれている場合を例に示したが、実施例１の変形例１及び変形例２のように、充填物は絶縁フレーム４６又はカソード側セパレータ３８ｃと同じ材料であってもよい。これにより、突出部５４の剛性を大きくする構成を容易に得ることができる。なお、実施例１の変形例１及び変形例２における単セルの積層後の断面図は実施例１と同様であるため図示を省略する。
【００３１】
図５（ｃ）のように、実施例１の変形例３では、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられてなく、アノード側セパレータ３８ａの金属シール部５０に突起５６ａが設けられている。図５（ｄ）のように、第１単セル１０ａのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の突起５６ａが第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂの絶縁フレーム４６に当接することで、金属シール部５０が弾性変形してマニホールドを流れる流体が封止されている。このように、金属シール部５０に突起５６ａが設けられ、金属シール部５０と絶縁フレーム４６とが突起５６ａで当接していてもよい。この場合でも、金属シール部５０と絶縁フレーム４６との接触面圧を高めることができる。
【００３２】
なお、流体の封止性能を考慮すると、実施例１から実施例１の変形例２のように、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられている場合が好ましい。また、製造の容易性や製造コストなどを考慮すると、実施例１の変形例１のように、絶縁フレーム４６が突出部５４の内側に埋め込まれている場合が好ましい。
【００３３】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１の変形例４及び変形例５における単セルの積層前の断面図、図６（ｃ）は、実施例１の変形例５における単セルの積層後の断面図である。図６（ａ）のように、実施例１の変形例４では、カソード側セパレータ３８ｃは、アノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０に対向する部分が折れ曲がってなく平坦面となっている。カソード側セパレータ３８ｃの金属シール部５０に対向する部分の平坦面上に、金属シール部５０の中空５２内に突出した突出部５４が設けられている。突出部５４は、カソード側セパレータ３８ｃと異なる金属材料又は絶縁材料で形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００３４】
実施例１から実施例１の変形例３では、カソード側セパレータ３８ｃが金属シール部５０の中空５２内に折れ曲がることで突出部５４が形成される場合を例に示したが、実施例１の変形例４のように、カソード側セパレータ３８ｃの平坦面上にカソード側セパレータ３８ｃとは異なる材料からなる突出部５４が設けられていてもよい。なお、実施例１の変形例４における単セルの積層後の断面図は実施例１と同様であるため図示を省略する。
【００３５】
図６（ｂ）のように、実施例１の変形例５では、アノード側セパレータ３８ａとカソード側セパレータ３８ｃとで絶縁フレーム４６を挟持した構造をしている。絶縁フレーム４６は、アノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の中空５２内に突出していて突出部５４を形成している。なお、絶縁フレーム４６のアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０に対向する部分が平坦面となっていて、この平坦面上に設けられた絶縁フレーム４６とは異なる材料からなる部材によって突出部５４が形成されていてもよい。カソード側セパレータ３８ｃのアノード側セパレータ３８ａ及び絶縁フレーム４６とは反対側の面に弾性部材６２が設けられている。弾性部材６２は、例えばゴム又はエラストマー樹脂で形成されていて、塗工又はシート貼り付けによって形成される。金属シール部５０に突起５６ａが設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００３６】
図６（ｃ）のように、第１単セル１０ａのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の突起５６ａが第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂの弾性部材６２に当接することで、金属シール部５０が弾性変形してマニホールドを流れる流体が封止されている。
【００３７】
実施例１から実施例１の変形例４では、単セル１０はアノード側セパレータ３８ａ、カソード側セパレータ３８ｃ、絶縁フレーム４６の順に配置されていたが、実施例１の変形例５のように、アノード側セパレータ３８ａとカソード側セパレータ３８ｃとで絶縁フレーム４６を挟んだ構造であってもよい。この場合、カソード側セパレータ３８ｃのアノード側セパレータ３８ａ及び絶縁フレーム４６とは反対側の面に弾性部材６２を設ければよい。
【００３８】
実施例１から実施例１の変形例５において、アノード側セパレータ３８ａに金属シール部５０が設けられている場合を例に示したが、カソード側セパレータ３８ｃに金属シール部５０が設けられていてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０〜１０ｂ  単セル
１２  セル積層体
１４  エンドプレート
１６  燃料ガス供給マニホールド
１８  燃料ガス排出マニホールド
２０  酸化剤ガス供給マニホールド
２２  酸化剤ガス排出マニホールド
２４  冷媒供給マニホールド
２６  冷媒排出マニホールド
３０  膜電極接合体
３２  電解質膜
３４ａ  アノード触媒層
３４ｃ  カソード触媒層
３６ａ  アノードガス拡散層
３６ｃ  カソードガス拡散層
３８ａ  アノード側セパレータ
３８ｃ  カソード側セパレータ
４０  膜電極ガス拡散層接合体
４２ａ  アノードガス流路
４２ｃ  カソードガス流路
４４  冷媒流路
４６  絶縁フレーム
４９  頂部
５０  金属シール部
５１  底部
５２  中空
５３  頂部
５４  突出部
５５  側部
５６、５６ａ  突起
５８  充填物
６０  空隙
６２  弾性部材
１００  燃料電池スタック
【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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