(57)【要約】【課題】ガス導入時にセパレータが変形することを抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することである。【解決手段】本発明にかかる燃料電池スタック１は、各々の燃料電池単セル１０が備えるセパレータ３０とセパレータ４０との間にガス流路３６が形成されている。また、複数の燃料電池単セル１０は、互いに隣接する燃料電池単セル１０間にガスケット７１を挟んで積層されるとともに、互いに隣接する燃料電池単セル１０間には冷却媒体流路７３が形成されている。そして、互いに隣接する燃料電池単セル１０間には、燃料電池単セル１０を平面視した際に燃料電池単セル１０が備えるガス流路３６と燃料電池単セル間に形成された冷却媒体流路７３とが重畳する位置に弾性体７２が狭持されるように設けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のセパレータと第２のセパレータとを含む燃料電池単セルが複数積層されて構成された燃料電池スタックであって、
前記各々の燃料電池単セルが備える前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間にはガス流路が形成されており、
前記複数の燃料電池単セルは、互いに隣接する燃料電池単セル間にガスケットを挟んで積層されるとともに、前記互いに隣接する燃料電池単セル間には冷却媒体流路が形成されており、
前記互いに隣接する燃料電池単セル間には、前記燃料電池単セルを平面視した際に前記燃料電池単セルが備えるガス流路と前記燃料電池単セル間に形成された冷却媒体流路とが重畳する位置に弾性体が狭持されるように設けられている、
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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数の燃料電池単セルが積層されて構成されている。特許文献１には、くし歯流路と冷却媒体流路とが互いに隣り合う構成となっている燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２３７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７、図８は、本発明の課題を説明するための断面図である。図７に示すように、燃料電池スタックは複数の燃料電池単セル１１０が積層されて構成されている。各々の燃料電池単セル１１０は、２枚のセパレータ１３０、１４０とフレーム部材１２８とを備える。セパレータ１３０とセパレータ１４０とフレーム部材１２８とで形成される空間にはガス流路１３６が形成される。また、各々の燃料電池単セル１１０は、ガスケット１７１を挟んで積層されている。セパレータ１３０とセパレータ１４０とガスケット１７１とで形成される空間には冷却媒体流路１７３が形成される。
【０００５】
発電時には、燃料電池スタックのガス流路１３６にガスが流れ、また冷却媒体流路１７３に冷却媒体が流れる。しかしながら、発電時にガス流路１３６にガスを導入すると、ガス流路１３６内の圧力が上昇するため、ガス流路１３６と冷却媒体流路１７３との間に圧力差が生じる。このため、図８に示すように、セパレータ１４０がｚ軸方向プラス側に変形するおそれがある。
【０００６】
上記課題に鑑み本発明の目的は、ガス導入時にセパレータが変形することを抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様にかかる燃料電池スタックは、第１のセパレータと第２のセパレータとを含む燃料電池単セルが複数積層されて構成された燃料電池スタックであって、下記の構成を備える。すなわち、前記各々の燃料電池単セルが備える前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間にガス流路が形成されている。また、前記複数の燃料電池単セルは、互いに隣接する燃料電池単セル間にガスケットを挟んで積層されるとともに、前記互いに隣接する燃料電池単セル間には冷却媒体流路が形成されている。そして、前記互いに隣接する燃料電池単セル間には、前記燃料電池単セルを平面視した際に前記燃料電池単セルが備えるガス流路と前記燃料電池単セル間に形成された冷却媒体流路とが重畳する位置に弾性体が狭持されるように設けられている。
【０００８】
上記構成を備える燃料電池スタックでは、互いに隣接する燃料電池単セル間に弾性体を設けるとともに、弾性体を、燃料電池単セルが備えるガス流路と燃料電池単セル間に形成された冷却媒体流路とが重畳する位置に配置している。よって、ガス流路にガスを流した際にガス流路内の圧力が上昇してセパレータが変形することを抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、ガス導入時にセパレータが変形することを抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態にかかる燃料電池を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる燃料電池スタックの発電領域の断面図である。
【図３】実施の形態にかかる燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの平面図である。
【図４】実施の形態にかかる燃料電池スタックの断面図である。
【図５】比較例にかかる燃料電池スタックの断面図である。
【図６】比較例にかかる燃料電池スタックの断面図である。
【図７】本発明の課題を説明するための断面図である。
【図８】本発明の課題を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態にかかる燃料電池スタックを説明するための図である。図１に示すように、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池単セル１０、エンドプレート１１、１６、絶縁板１２、１５、及び集電板１３、１４を備える。これらの部材は、エンドプレート１１、絶縁板１２、集電板１３、複数の燃料電池単セル１０、集電板１４、絶縁板１５、及びエンドプレート１６の順にｚ軸方向に積層されている。
【００１２】
燃料電池スタック１には、配管１０１を介してアノードガスが供給される。例えば、アノードガスは水素ガスである。燃料電池スタック１に供給されたアノードガスは、複数の燃料電池単セル１０に供給される。そして、燃料電池単セル１０で使用されなかったアノードガスは、配管１０２を介して排出される。
【００１３】
燃料電池スタック１には、配管１０３を介してカソードガスが供給される。例えば、カソードガスは酸素（空気）である。燃料電池スタック１に供給されたカソードガスは、複数の燃料電池単セル１０に供給される。そして、燃料電池単セル１０で使用されなかったカソードガスは、配管１０４を介して排出される。
【００１４】
また、燃料電池スタック１には、各々の燃料電池単セル１０を冷却するための冷却媒体が配管１０５を介して供給される。例えば、冷却媒体には水を用いることができる。各々の燃料電池単セル１０を通過した冷却媒体は配管１０６を介して排出される。例えば、配管１０５と配管１０６との間にはポンプ（不図示）が設けられており、このポンプを用いることで、冷却媒体を配管１０５、燃料電池スタック１、配管１０６、ポンプ（不図示）の順に循環させることができる。
【００１５】
図２は、本実施の形態にかかる燃料電池スタックの発電領域（図３の発電領域６０参照）の断面図である。図２に示すように、燃料電池スタック１の発電領域において、燃料電池単セル１０は、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とでＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０を狭持している構成を備える。ＭＥＧＡ２０は、膜電極接合体２１と、膜電極接合体２１のアノード側に設けられたアノード側ガス拡散層２５と、膜電極接合体２１のカソード側に設けられたカソード側ガス拡散層２６と、を備える。アノード側ガス拡散層２５およびカソード側ガス拡散層２６は、ガス透過性を有する導電性部材（例えば、カーボン多孔質体や金属多孔質体）を用いて構成することができる。また、アノード側セパレータ３０およびカソード側セパレータ４０は、例えばチタン等の金属材料を用いて構成することができる。
【００１６】
なお、上述の説明では、各々の燃料電池単セル１０のｚ軸方向マイナス側をアノード側とし、ｚ軸方向プラス側をカソード側とした場合を示したが、本実施の形態では、ｚ軸方向マイナス側をカソード側とし、ｚ軸方向プラス側をアノード側としてもよい。この場合は、各構成要素の「アノード」と「カソード」が逆になる。
【００１７】
図２に示す膜電極接合体２１は、電解質膜２２と、電解質膜２２のアノード側に設けられたアノード電極触媒層２３と、電解質膜２２のカソード側に設けられたカソード電極触媒層２４と、を備える。電解質膜２２は、固体高分子材料を用いて構成することができる。例えば、電解質膜２２には、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることができる。アノード電極触媒層２３およびカソード電極触媒層２４は、例えば白金、白金合金等の触媒を担持した導電性粒子をプロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆することで形成することができる。ここで、アイオノマーは電解質膜２２と同質の固体高分子材料である高分子電解質樹脂（例えばフッ素系樹脂）であり、アイオノマーが有するイオン交換基によりプロトン伝導性を示す。
【００１８】
図２に示すように、アノード側セパレータ３０のＭＥＧＡ２０と接する側には、アノードガスのガス流路６１が形成される。ガス流路６１を流れているアノードガスは、アノード側ガス拡散層２５を介してアノード電極触媒層２３に供給される。アノード電極触媒層２３に供給されたアノードガスは、下記の反応によって水素イオンＨ＋と電子を生成する。
【００１９】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・（１）
【００２０】
また、カソード側セパレータ４０のＭＥＧＡ２０と接する側には、カソードガスのガス流路６２が形成される。ガス流路６２を流れているカソードガスは、カソード側ガス拡散層２６を介してカソード電極触媒層２４に供給される。カソード電極触媒層２４では、アノード側から電解質膜２２を通過してきた水素イオンＨ＋とカソードガス（酸素）とが下記の反応をする。
【００２１】
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
【００２２】
上記（１）と（２）の反応により、電力が生成される。
【００２３】
また、アノード側セパレータ３０のＭＥＧＡ２０と接する側の反対側、及びカソード側セパレータ４０のＭＥＧＡ２０と接する側の反対側には、冷却媒体流路６３が形成されている。冷却媒体流路６３は、アノード側セパレータ３０に形成された凹部とカソード側セパレータ４０に形成された凹部とを合わせることで形成されている。冷却媒体流路６３に冷却媒体（例えば、水）を流すことで、アノードガスとカソードガスとの反応によって発生した熱を冷却することができる。
【００２４】
図３は、本実施の形態にかかる燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの平面図である。図３に示す燃料電池単セル１０は、燃料電池単セル１０をアノード側セパレータ３０側から見た図である。図３に示すように、燃料電池単セル１０には、アノードガス供給用連通孔３１、アノードガス排気用連通孔３２、カソードガス供給用連通孔４１、カソードガス排気用連通孔４２、冷却媒体供給用連通孔５１、及び冷却媒体排出用連通孔５２が形成されている。
【００２５】
複数の燃料電池単セル１０が積層された際、アノードガス供給用連通孔３１は各々の燃料電池単セル１０にアノードガスを供給するための流路（ｚ軸方向に伸びる流路）として機能し、アノードガス排気用連通孔３２は各々の燃料電池単セル１０から不使用のアノードガスを排気するための流路（ｚ軸方向に伸びる流路）として機能する。アノードガス供給用連通孔３１の周囲にはガスケット３３が設けられている。ガスケット３３を設けることで、隣接する燃料電池単セル１０間においてアノードガス供給用連通孔３１がシールされる。同様に、アノードガス排気用連通孔３２の周囲にはガスケット３４が設けられている。ガスケット３４を設けることで、隣接する燃料電池単セル１０間においてアノードガス排気用連通孔３２がシールされる。
【００２６】
また、複数の燃料電池単セル１０が積層された際、カソードガス供給用連通孔４１は各々の燃料電池単セル１０にカソードガスを供給するための流路（ｚ軸方向に伸びる流路）として機能し、カソードガス排気用連通孔４２は各々の燃料電池単セル１０から不使用のカソードガスを排気するための流路（ｚ軸方向に伸びる流路）として機能する。カソードガス供給用連通孔４１の周囲にはガスケット４３が設けられている。ガスケット４３を設けることで、隣接する燃料電池単セル１０間においてカソードガス供給用連通孔４１がシールされる。同様に、カソードガス排気用連通孔４２の周囲にはガスケット４４が設けられている。ガスケット４４を設けることで、隣接する燃料電池単セル１０間においてカソードガス排気用連通孔４２がシールされる。
【００２７】
上記構成は、冷却媒体供給用連通孔５１、及び冷却媒体排出用連通孔５２についても同様である。図３は、アノード側セパレータ３０のｚ軸方向マイナス側の面を図示している。この面は、冷却媒体が流れる面であり、燃料電池単セル１０の発電領域６０にはｙ軸方向に冷却媒体流路６３が形成されている。冷却媒体流路６３には、冷却媒体供給用連通孔５１から供給された冷却媒体が流れる。そして、冷却媒体流路６３を通過した冷却媒体は冷却媒体排出用連通孔５２から排出される。冷却媒体が流れる領域は、ガスケット５３を用いてシールされている。
【００２８】
アノード側セパレータ３０の裏側（ｚ軸方向プラス側）には、アノードガスが流れる。アノード側セパレータ３０の裏側には、アノードガス供給用連通孔３１から発電領域６０に向かってガス流路３５が形成されている。また、発電領域６０からアノードガス排気用連通孔３２に向かってガス流路３６が形成されている。アノードガス供給用連通孔３１から供給されたアノードガスは、ガス流路３５を経由して発電領域６０のガス流路６１（図２参照）に供給される。そして、発電領域６０で使用されなかったアノードガスは、ガス流路３６を経由してアノードガス排気用連通孔３２に排出される。
【００２９】
図４は、本実施の形態にかかる燃料電池スタックの断面図であり、図３に示したガス流路３６付近の断面図である。なお、図４ではガス流路３６付近の断面図を示すが、図３に示したガス流路３５付近についても同様の構成を備える。
【００３０】
図３に示した発電領域６０では、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間にＭＥＧＡ２０（図２参照）が配置されていたが、発電領域６０以外の部分、つまりＭＥＧＡ２０の周囲にはＭＥＧＡ２０を取り囲むようにフレーム部材が形成されている。したがって、図３に示したガス流路３６が形成されている付近では、図４の断面図に示すように、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間にフレーム部材２８が設けられている。フレーム部材２８は、例えばフィルム状のシール部材である。また、フレーム部材２８は、アノードガスのガス流路３６を形成するための形状を有する。よって、図４の断面図に示すように、フレーム部材２８とアノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とで形成される空間に、アノードガスのガス流路３６が形成される。
【００３１】
また、図４に示すように、燃料電池スタック１は複数の燃料電池単セル１０が積層されて構成されている。各々の燃料電池単セル１０は、ガスケット７１を挟んで積層されている。アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とガスケット７１とで形成される空間（つまり、互いに隣接する燃料電池単セル１０間）には冷却媒体流路７３が形成される。
【００３２】
更に本実施の形態では、互いに隣接する燃料電池単セル１０間において弾性体７２が狭持されるように設けられている。このとき、弾性体７２は、燃料電池単セル１０を平面視した際に（ｚ軸方向からみた際に）、燃料電池単セル１０が備えるガス流路３６と燃料電池単セル間に形成された冷却媒体流路７３とが重畳する位置に配置されている。つまり、図３に示すように、アノード側セパレータ３０に形成されたガス流路３６と積層方向において重畳する位置に、弾性体７２を設けている。また、アノード側セパレータ３０に形成されたガス流路３５と積層方向において重畳する位置に、弾性体７２を設けている。弾性体７２は、例えばゴム等の高分子材料を用いて構成することができる。
【００３３】
本実施の形態にかかる燃料電池スタック１では、互いに隣接する燃料電池単セル１０間に弾性体７２を設けるとともに、弾性体７２を、燃料電池単セル１０が備えるガス流路３６と燃料電池単セル間に形成された冷却媒体流路７３とが重畳する位置に配置している。よって、ガス流路３６にアノードガスを流した際にガス流路３６内の圧力が上昇した場合であっても、この圧力によってカソード側セパレータ４０が変形することを抑制することができる。
【００３４】
すなわち、図７、図８に示した構成の場合は、発電時に、燃料電池スタックのガス流路１３６にガスが流れ、また冷却媒体流路１７３に冷却媒体が流れる。しかしながら、図７、図８に示した構成の場合は、ガス流路１３６にガスを流した際にガス流路１３６内の圧力が上昇すると、ガス流路１３６と冷却媒体流路１７３との間に圧力差が生じる。このため、図８に示すように、セパレータ１４０がｚ軸方向プラス側に変形するおそれがあった。そして、セパレータ１４０がこのような変形を繰り返すと、金属疲労によりセパレータ１４０に亀裂が入り、ガス流路１３６からガスがリークするおそれがあった。
【００３５】
これに対して本実施の形態にかかる燃料電池スタック１では、互いに隣接する燃料電池単セル１０間に弾性体７２を設けているので、ガス流路３６に流れるガスの圧力が高くなった場合であっても、カソード側セパレータ４０がｚ軸方向プラス側に変形することを抑制することができる。図３に示すガス流路３５についても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
弾性体７２の形状は特に限定されることはないが、例えば円柱状、楕円柱状、角柱状とすることができる。また、弾性体７２を設ける際は、ガス流路３５、３６の上流から下流に向かって、弾性体７２が所定の間隔で並ぶように設けてもよい。また、弾性体７２は冷却媒体流路７３の内部に設けられるので、弾性体７２の形状を冷却媒体の流れを妨げないような形状（例えば、流線形状）としてもよい。
【００３７】
また、図３に示すように、アノードガス供給用連通孔３１付近には複数のガス流路３５が形成されている。これらのガス流路３５に弾性体７２を設ける際は、複数のガス流路３５を跨ぐように（つまり、複数のガス流路３５に渡って）、弾性体を設けてもよい。同様に、アノードガス排気用連通孔３２付近には複数のガス流路３６が形成されている。これらのガス流路３６に弾性体７２を設ける際は、複数のガス流路３６を跨ぐように（つまり、複数のガス流路３６に渡って）、弾性体を設けてもよい。
【００３８】
図５、図６は、比較例にかかる燃料電池スタックの断面図である。上述の課題を解決するために、例えば、図５に示すように、セパレータ１４５の形状をｚ軸方向プラス側に突出する形状とすることも想定される。つまり、セパレータ１４５の形状をｚ軸方向プラス側に突出する形状とし、セパレータ１４５の上面をセパレータ１３０の下面に当接させることで、ガス導入時におけるセパレータ１４５の変形を抑制することができる。
【００３９】
しかしながら、燃料電池スタックは複数の燃料電池単セル１１０を積層して構成しているため、図６に示すように、燃料電池スタックを構成する各々の部材の公差の影響により、燃料電池単セル１１０間の距離ｄ１、ｄ２に差が生じる場合がある。例えば、距離ｄ２が距離ｄ１よりも大きい場合（ｄ２＞ｄ１）は、セパレータ１４５の上面がセパレータ１３０の下面に当接しないで隙間１９０が生じる場合がある。このような場合は、セパレータ１４５の変形を適切に抑制することができない。
【００４０】
これに対して本実施の形態にかかる燃料電池スタック１では、図４に示したように、互いに隣接する燃料電池単セル１０間に弾性体７２を設けている。このとき、燃料電池単セル１０間に設けた弾性体７２が圧縮されるように（つまり、弾性体７２が狭持されるように）構成しているので、燃料電池単セル１０間の距離ｄ１、ｄ２に差が生じた場合であっても（図６参照）、この距離の差を弾性体７２の圧縮代を用いて追従させることができる。したがって、本実施の形態にかかる燃料電池スタック１により、ガス導入時にセパレータが変形することを確実に抑制することができる。
【００４１】
なお、図４では、各々の燃料電池単セル１０のｚ軸方向マイナス側のセパレータ３０をアノード側セパレータとし、ｚ軸方向プラス側のセパレータ４０をカソード側セパレータとした場合を示したが、本実施の形態では、ｚ軸方向マイナス側のセパレータ３０をカソード側セパレータとし、ｚ軸方向プラス側のセパレータ４０をアノード側セパレータとしてもよい。この場合は、各構成要素の「アノード」と「カソード」が逆になる。
【００４２】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池スタック
１０  燃料電池単セル
１１、１６  エンドプレート
１２、１５  絶縁板
１３、１４  集電板
２０  ＭＥＧＡ
２１  膜電極接合体
２２  電解質膜
２３  アノード電極触媒層
２４  カソード電極触媒層
２５  アノード側ガス拡散層
２６  カソード側ガス拡散層
２８  フレーム部材
３０  アノード側セパレータ
３１  アノードガス供給用連通孔
３２  アノードガス排気用連通孔
３３、３４  ガスケット
３５、３６  ガス流路
４０  カソード側セパレータ
４１  カソードガス供給用連通孔
４２  カソードガス排気用連通孔
４３、４４  ガスケット
５１  冷却媒体供給用連通孔
５２  冷却媒体排出用連通孔
５３  ガスケット
６０  発電領域
６１、６２  ガス流路
６３  冷却媒体流路
７１  ガスケット
７２  弾性体
７３  冷却媒体流路
【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】
2019160542.tif 000008
【図７】
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【図８】
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