(57)【要約】      （修正有）【課題】樹脂フレームの厚さの公差による単セル間の隙間を抑制する燃料電池スタックの提供。【解決手段】複数の単セル１４０と、任意の隣り合う２つの単セルの間に挟まれたガスケットＧＫ５とが積層された燃料電池スタックにおいて、樹脂フレーム３１の周縁部分３１Ｒは、第１セパレータ５０の外周よりも外側に延びており、樹脂フレームの第１面において、樹脂フレームの周縁部分は、単セルの積層方向に突出した複数の第１凸部３４を有し、樹脂フレームの第２面において、樹脂フレームの周縁部分は、隣り合う２つの第１凸部の間の位置に、積層方向に突出した第２凸部３５を有し、第２セパレータ４０の外周部分４２は、隣り合う２つの単セルのうちで一方の単セルの複数の第１凸部と、他方の単セルの第２凸部とによって押圧されている、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】
複数の単セルと、任意の隣り合う２つの前記単セルの間に挟まれたガスケットとが積層された燃料電池スタックであって、
前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合された樹脂フレームと、前記樹脂フレームの第１面と接する第１セパレータと、前記樹脂フレームの第２面と接する第２セパレータと、を備え、
前記ガスケットは、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置され、少なくとも一部が前記第１セパレータの外周を並走しており、
前記樹脂フレームの周縁部分は、前記第１セパレータの前記外周よりも外側に延びており、
前記樹脂フレームの前記第１面において、前記樹脂フレームの前記周縁部分は、前記単セルの積層方向に突出した複数の第１凸部を有し、
前記樹脂フレームの前記第２面において、前記樹脂フレームの前記周縁部分は、隣り合う２つの前記第１凸部の間の位置に、前記積層方向に突出した第２凸部を有し、
前記第２セパレータの外周部分は、隣り合う２つの前記単セルのうちで一方の前記単セルの前記複数の第１凸部と、他方の前記単セルの前記第２凸部とによって押圧されている、
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数の単セルが積層された燃料電池スタックが開示されている。隣り合う２つの単セルの間に、各単セルを流れる反応ガス及び冷却媒体の漏洩を防止するためのガスケットが配置されている。このガスケットは、単セルのセパレータとは別途に形成されてセパレータに配置され、隣り合う２つの単セルの押圧によって２つの単セルの間をシールする。
【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】
一般に、単セルは、膜電極ガス拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：以降「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）とＭＥＧＡの周囲に接合された樹脂フレームとを有するＭＥＧＡプレートが一対のセパレータ、すなわち、アノード側セパレータとカソード側セパレータに挟まれることによって構成される。ガスケットは、積層方向において樹脂フレームと重なる領域に配置される。
【０００５】
単セルの樹脂フレームの厚さには公差がある。複数の単セルを積層する際、樹脂フレームの厚さの公差が積み重なると、単セルの間に大きな隙間が生じてガスケットが外側に飛び出してしまうという問題があった。
【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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、複数の単セルと、任意の隣り合う２つの前記単セルの間に挟まれたガスケットとが積層された燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックにおいて、前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合された樹脂フレームと、前記樹脂フレームの第１面と接する第１セパレータと、前記樹脂フレームの第２面と接する第２セパレータと、を備える。前記ガスケットは、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置され、少なくとも一部が前記第１セパレータの外周を並走しており、前記樹脂フレームの周縁部分は、前記第１セパレータの前記外周よりも外側に延びており、前記樹脂フレームの前記第１面において、前記樹脂フレームの前記周縁部分は、前記単セルの積層方向に突出した複数の第１凸部を有し、前記樹脂フレームの前記第２面において、前記樹脂フレームの前記周縁部分は、隣り合う２つの前記第１凸部の間の位置に、前記積層方向に突出した第２凸部を有し、前記第２セパレータの外周部分は、隣り合う２つの前記単セルのうちで一方の前記単セルの前記複数の第１凸部と、他方の前記単セルの前記第２凸部とによって押圧されている。
この形態の燃料電池スタックによれば、第２セパレータの外周部分が隣り合う２つの単セルのうちで一方の単セルの複数の第１凸部と、他方の単セルの第２凸部によって押圧されているので、第２セパレータの外周部分がばね構造として働く。この結果、樹脂フレームの厚さの公差が積み重なった場合にも、第２セパレータの外周部分の反発力によって、隣り合う樹脂フレームの間に大きな隙間が生じることを抑制でき、ガスケットが外側に飛び出すことを抑制できる。
【０００８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法、燃料電池単セル、燃料電池用樹脂フレーム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】本発明の一実施形態における燃料電池スタックの分解斜視図。
【図２】アノード側セパレータ側から見た燃料電池スタックの概略図。
【図３】燃料電池スタックの一部の斜視図。
【図４】燃料電池スタックの一部の断面図。
【図５】燃料電池スタックの一部の断面図。
【図６】燃料電池スタックの側面図。
【図７】燃料電池スタックの側面図。
【図８】参考例１における燃料電池スタックの一部の断面図。
【図９】参考例１における燃料電池スタックの一部の断面図。
【図１０】参考例２における燃料電池スタックの一部の断面図。
【図１１】参考例２における燃料電池スタックの一部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池スタック１００の分解斜視図である。燃料電池スタック１００は、複数の単セル１４０が、図１に示すＺ軸方向に積層されて締め付けられることによって形成されている。図中で、Ｚ軸及びＸ軸は水平面と平行であり、＋Ｙ方向は鉛直上方向を示し、−Ｙ方向は鉛直下方を示す。単セル１４０は、ＭＥＧＡ３２とＭＥＧＡ３２の周囲に接合された樹脂フレーム３１とを有するＭＥＧＡプレート３０と、ＭＥＧＡプレート３０を挟んで配置された２つのセパレータ４０，５０、すなわち、アノード側セパレータ５０（第１セパレータ）とカソード側セパレータ４０（第２セパレータ）と、を備える。燃料電池スタック１００は、いわゆる固体高分子形燃料電池であり、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、車両等に搭載される。
【００１１】
図２は、アノード側セパレータ５０の面から＋Ｚ方向に沿って見た燃料電池スタック１００の概略図である。図示の便宜上、ＭＥＧＡプレート３０（図１）の樹脂フレーム３１の周縁部分３１Ｒをハッチングしている。樹脂フレーム３１の周縁部分３１Ｒは、アノード側セパレータ５０の外周よりも外側に延びている。周縁部分３１Ｒには、アノード側セパレータ５０の外周を囲むように周縁凸部３３が形成されている。周縁凸部３３は、図２に示す平面視で矩形状の形状を有している。但し、周縁凸部３３を省略してもよい。
【００１２】
アノード側セパレータ５０の長手方向の一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２と、が上から下へと順に並んで設けられている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、燃料ガス出口マニホールド孔６４と、が上から下へと順に並んで設けられている。アノード側セパレータ５０の中央部分には、複数の筋状の冷却媒体流路溝５４が形成されている。なお、セパレータ４０，５０は、例えばステンレス鋼やチタンなどの金属部材をプレス成形したプレス成形板が採用される。但し、プレス成形板以外に、弾性と導電性及びガス不透過性を有するセパレータを使用してもよい。
【００１３】
燃料ガス入口マニホールド孔６２から供給された燃料ガスのうち、利用されなかった燃料ガスは燃料ガス出口マニホールド孔６４によって集められ、燃料電池スタック１００（図１）の外部に排出される。また、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２から供給された酸化剤ガスのうち、利用されなかった酸化剤ガスは酸化剤ガス出口マニホールド孔７４によって集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。さらに、冷却媒体入口マニホールド孔８２から供給された冷却媒体は、冷却媒体流路溝５４を流れて、冷却媒体出口マニホールド孔８４によって集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００１４】
図２において、アノード側セパレータ５０の表面に、各反応ガスマニホールド孔６２，６４，７２，７４を囲むようにガスケットＧＫ１〜ＧＫ４が配置されている。また、冷却媒体用マニホールド孔８２，８４及び冷却媒体流路溝５４を囲むようにガスケットＧＫ５が配置されている。各ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５それぞれのアノード側セパレータ５０の外周に一番近い部分は、アノード側セパレータ５０の外周と並走している。
【００１５】
ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、複数の単セル１４０が積層された際に、隣り合う２つの単セル１４０の表面に当接し、２つの単セル１４０の間を密封する機能を有する。具体的には、ガスケットＧＫ１，ＧＫ２が燃料ガスの漏洩を防止するためのものであり、ガスケットＧＫ３，ＧＫ４が酸化剤ガスの漏洩を防止するためのものであり、ガスケットＧＫ５が冷却媒体の漏洩を防止するためのものである。これらのガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、アノード側セパレータ５０とは別途に形成され、隣り合う２つの単セル１４０の間に挟まれて配置されている。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５としては、例えばゴムや樹脂などの弾性部材を含む軟質ガスケットを使用することができる。なお、これらのガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、非接着性を有することが好ましい。
【００１６】
図３は、図２に示す破線で囲まれた範囲ＩＩＩの拡大斜視図であり、複数の単セル１４０が締め付けられる前の図である。図示の便宜上、２つの単セル１４０のみ描かれており、ガスケットＧＫ５がハッチングされている。また、ガスケットＧＫ５の断面形状は簡略化されている。図３において、アノード側セパレータ５０は単セル１４０の樹脂フレーム３１の第１面Ｓ１（上面）と接しており、カソード側セパレータ４０は単セル１４０の樹脂フレーム３１の第２面Ｓ２（下面）と接している。ガスケットＧＫ５は、アノード側セパレータ５０の外周と並走している。
【００１７】
図３では、樹脂フレーム３１の第１面Ｓ１において、樹脂フレーム３１の周縁部分３１Ｒと一体に形成されて筋状に延びる１つの周縁凸部３３と２つの第１凸部３４とが形成されている。周縁凸部３３は、アノード側セパレータ５０の外周を囲んでＹ方向に延び、積層方向（−Ｚ方向）に突出している。第１凸部３４は、周縁凸部３３よりも外側の位置において、周縁凸部３３と一体に形成されてＸ方向に延び、積層方向（−Ｚ方向）に突出している。なお、第１凸部３４は、３つ以上形成してもよい。
【００１８】
樹脂フレーム３１の第２面Ｓ２において、樹脂フレーム３１の周縁部分３１Ｒは、筋状の第２凸部３５を有する。第２凸部３５は、周縁部分３１Ｒと一体に形成され、隣り合う２つの第１凸部３４の間の位置において積層方向（＋Ｚ方向）に突出している。なお、第１凸部３４と第２凸部３５は、筋状でなく他の形状（例えば円柱形）を有してもよい。また、周縁凸部３３と第１凸部３４と第２凸部３５は、周縁部分３１Ｒと一体に形成せず、別途に形成して周縁部分３１Ｒに接着されてもよい。
【００１９】
カソード側セパレータ４０の外周部分４２は、アノード側セパレータ５０の外周よりも外側に延びており、段差部４１を有する。段差部４１は、カソード側セパレータ４０と樹脂フレーム３１の周縁部分３１Ｒとの間に隙間Ｇ１を形成させる。隙間Ｇ１の中には、周縁部分３１Ｒの第２凸部３５が形成されている。
【００２０】
図４は、図３に示す第２凸部３５の中央を貫通する断面ＩＶの説明図である。樹脂フレーム３１の第２凸部３５は、カソード側セパレータ４０の外周部分４２と接している。外周部分４２の段差部４１は、隣り合う他の単セル１４０の樹脂フレーム３１の周縁凸部３３と僅かに接している。複数の単セル１４０を締め付ける際、段差部４１は当該周縁凸部３３によって押圧される。また、周縁凸部３３は、積層方向において整列されており、ガスケットＧＫ５が外側に飛び出すことを抑制する機能を有する。
【００２１】
図５は、図３に示す第１凸部３４の中央を貫通する断面Ｖの説明図である。樹脂フレーム３１の第１凸部３４は、隣り合う他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０の外周部分４２と接している。
【００２２】
図６は、図３に示す複数の単セル１４０を−Ｘ方向に沿って見た側面図である。図示の便宜上、下方の単セル１４０のカソード側セパレータ４０を省略している。また、説明の便宜上、上方の単セル１４０の構成の符号には「ｕ」を付しており、下方の単セル１４０の構成の符号には「ｄ」を付している。
【００２３】
図６において、単セル１４０ｕのカソード側セパレータ４０ｕの外周部分４２ｕは、単セル１４０ｄの２つの第１凸部３４ｄと接し、樹脂フレーム３１ｄとの間に隙間Ｇ２が形成されている。単セル１４０ｄの２つの第１凸部３４ｄの間の位置には、単セル１４０ｕの第２凸部３５ｕがカソード側セパレータ４０ｕの外周部分４２ｕと接している。また、外周部分４２ｕと単セル１４０ｕの樹脂フレーム３１ｕとの間には、隙間Ｇ１が形成されている。
【００２４】
図７は、図６の単セル１４０ｕ，１４０ｄを締め付ける様子を示す図である。単セル１４０ｕ，１４０ｄを締め付けると、カソード側セパレータ４０ｕの外周部分４２ｕは、単セル１４０ｄの２つの第１凸部３４ｄと、単セル１４０ｕの第２凸部３５ｕとによって押圧される。この結果、外周部分４２ｕの第２凸部３５ｕと接触している部分が単セル１４０ｄ側に湾曲するとともに、隙間Ｇ１，Ｇ２が縮小する。ここで、カソード側セパレータ４０ｕは弾性があるので、隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさが多少変化してもばね弾性で吸収できる。こうすれば、樹脂フレーム３１ｕ，３１ｄの厚さの公差を隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさで補うことができ、この公差が積み重なって隣り合う樹脂フレーム３１ｕ，３１ｄの間に大きな隙間が生じてガスケットＧＫ５が外側に飛び出すことを抑制できる。
【００２５】
以上説明したように、実施形態では、カソード側セパレータ４０の外周部分４２が隣り合う２つの単セル１４０ｕ，１４０ｄのうちで一方の単セル１４０ｄの２つの第１凸部３４ｄと、他方の単セル１４０ｕの第２凸部３５ｕによって押圧されているので、カソード側セパレータ４０の外周部分４２がばね構造として働く。この結果、樹脂フレーム３１ｕ，３１ｄの厚さの公差が積み重なった場合にも、カソード側セパレータ４０の外周部分４２の反発力によって、隣り合う樹脂フレーム３１ｕ，３１ｄの間に大きな隙間が生じることを抑制でき、ガスケットＧＫ５が外側に飛び出すことを抑制できる。
【００２６】
・参考例１：
図８は、参考例１における複数の単セル１４０ａの断面図であり、図４に対応した図である。図８において、樹脂フレーム３１ａは、第１凸部３４と第２凸部３５を有しない。
樹脂フレーム３１ａの周縁凸部３３ａは、弾性材料、例えばエラストマ、によって形成されている。カソード側セパレータ４０ａは、外周部分を有せず、周縁凸部３３ａと隣接している。
【００２７】
図９は、図８の複数の単セル１４０ａを締め付ける様子を示す図である。樹脂フレーム３１ａの周縁凸部３３ａは、隣接のカソード側セパレータ４０ａに押圧されて変形する。参考例１において、周縁凸部３３ａの反発力によって、樹脂フレーム３１ａの厚さの公差が積み重なって隣り合う樹脂フレーム３１ａの間に大きな隙間が生じることを抑制でき、ガスケットＧＫ５が外側に飛び出すことを抑制できる。
【００２８】
・参考例２：
図１０は、参考例２における複数の単セル１４０ｂの断面図であり、図８に対応した図である。図１０において、樹脂フレーム３１ｂの周縁凸部３３ｂは、樹脂フレーム３１ｂと同一材料で形成されており、図８の周縁凸部３３ａよりもサイズが小さい。ガスケットＧＫ５ｂには、弾性を有する付属弾性部ＧＫ５１が一体に形成されている。付属弾性部ＧＫ５１は、カソード側セパレータ４０ａと隣接する周縁凸部３３ｂの間に配置されている。なお、付属弾性部ＧＫ５１と周縁凸部３３ｂの全体を一つの「凸部」と考えることも可能である。
【００２９】
図１１は、図１０の複数の単セル１４０ｂを締め付ける様子を示す図である。ガスケットＧＫ５ｂの付属弾性部ＧＫ５１は、カソード側セパレータ４０ａと隣接する周縁凸部３３ｂに押圧されて変形する。参考例２において、付属弾性部ＧＫ５１の反発力によって、樹脂フレーム３１ｂの厚さの公差が積み重なって隣り合う樹脂フレーム３１ｂの間に大きな隙間が生じることを抑制でき、ガスケットＧＫ５ｂが外側に飛び出すことを抑制できる。
【００３０】
以上の説明から理解できるように、参考例１と参考例２は、第１セパレータの外周を走る凸部の少なくとも一部が弾性部材で形成されている点で共通している。この弾性材の反発力によって、樹脂フレームの厚さの公差が積み重なって隣り合う樹脂フレームの間に大きな隙間が生じることを抑制でき、ガスケットが外側に飛び出すことを抑制できる。
【００３１】
・変形例：
なお、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。
【００３２】
・変形例１：
以上の実施形態では、アノード側セパレータ５０を第１セパレータとし、カソード側セパレータ４０を第２セパレータとして説明したが、カソード側セパレータを第１セパレータとし、アノード側セパレータを第２セパレータとしてもよい。
【００３３】
本発明は、上述の実施形態、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形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又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】
【００３４】
３０…ＭＥＧＡプレート
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｕ，３１ｄ…樹脂フレーム
３１Ｒ…周縁部分
３２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３３，３３ａ，３３ｂ…周縁凸部
３４，３４ｄ…第１凸部
３５，３５ｕ…第２凸部
４０，４０ａ，４０ｕ…カソード側セパレータ
４１…段差部
４２，４２ｕ…外周部分
５０…アノード側セパレータ
５４…冷却媒体流路溝
６２…燃料ガス入口マニホールド孔
６４…燃料ガス出口マニホールド孔
７２…酸化剤ガス入口マニホールド孔
７４…酸化剤ガス出口マニホールド孔
８２…冷却媒体入口マニホールド孔
８４…冷却媒体出口マニホールド孔
１００…燃料電池スタック
１４０，１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｕ，１４０ｄ…単セル
ＧＫ１〜ＧＫ５…ガスケット
ＧＫ５１…付属弾性部
ＧＫ５ｂ…ガスケット
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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