(57)【要約】      （修正有）【課題】単セルの積層体と燃料電池ケースとの絶縁性を確保するスタック構造の提供。【解決手段】複数の単セル１４０の積層体が燃料電池ケースに収容された燃料電池スタックであって、単セル１４０は、外周に電気絶縁性のフレーム部材３２が接合された膜電極ガス拡散層接合体２１を一対のセパレータ４０，５０で挟持して構成され、フレーム部材３２は、セパレータ４０，５０の外縁と燃料電池ケースの内面との間に挟まれてセパレータ４０，５０の外縁を覆う折曲部３１を有す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】
複数の単セルの積層体が燃料電池ケースに収容された燃料電池スタックであって、
前記単セルは、外周に電気絶縁性のフレーム部材が接合された膜電極ガス拡散層接合体を一対のセパレータで挟持して構成され、
前記フレーム部材は、前記セパレータの外縁と前記燃料電池ケースの内面との間に挟まれて前記セパレータの外縁を覆う折曲部を有する、
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】
一般に、燃料電池は、複数の単セルの積層体を含む燃料電池スタックを有している。各単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。また、複数の単セルの積層体は燃料電池ケースに収容されている。特許文献１には、単セルの積層体と燃料電池ケースとの絶縁性を確保するために、燃料電池ケースの内面を絶縁材料で被覆した燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−００４２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、単セルの積層体と燃料電池ケースとの絶縁性を確保する技術に関しては、依然として改善の余地があるのが実情であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、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、複数の単セルの積層体が燃料電池ケースに収容されている。前記単セルは、外周に電気絶縁性のフレーム部材が接合された膜電極ガス拡散層接合体を一対のセパレータで挟持して構成され、前記フレーム部材は、前記セパレータの外縁と前記燃料電池ケースの内面との間に挟まれて前記セパレータの外縁を覆う折曲部を有する。
【０００７】
この形態の燃料電池スタックによれば、電気絶縁性のフレーム部材は、セパレータの外縁を覆う折曲部を有するので、複数の単セルの積層体と燃料電池ケースとの絶縁性を確保できる。
【０００８】
本発明は、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、その燃料電池を備える燃料電池システ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システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】複数の単セルの積層体が燃料電池ケースに収容されている様子を示す概略平面図である。
【図３】燃料電池ケースに収容されていない状態の単セルの概略平面図である。
【図４】本実施形態における燃料電池スタックの製造方法の一例を示す説明図である。
【図５】折曲部の作製方法の一例を示す説明図である。
【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システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層され、燃料電池ケース１３５に収容された構造を有している。なお、単セル１４０の積層方向は、鉛直方向Ｙに垂直な方向Ｘとなっている。また、鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の表裏方向は水平方向Ｚである。
【００１１】
燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００１２】
さらに、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。
【００１３】
燃料電池スタック１００に備えられる単セル１４０は、膜電極接合体３０と、２枚のガス拡散層２０と、フレーム部材３２と、一対のセパレータ、すなわちアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０と、を備える。膜電極接合体３０は、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置されて構成されている。膜電極接合体３０の両側にそれぞれ、ガス拡散層２０が積層されている。膜電極接合体３０とガス拡散層２０とが、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）２１を構成する。ＭＥＧＡ２１の外周を囲むように、電気絶縁性のフレーム部材３２がＭＥＧＡ２１に接合されている。ＭＥＧＡ２１とフレーム部材３２は、積層方向Ｘに沿って、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０とによって挟持されている。アノード側セパレータ５０は、ＭＥＧＡ２１側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝５２を備え、ＭＥＧＡ２１と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝５４を備える。カソード側セパレータ４０は、ＭＥＧＡ２１側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝４２を備える。
【００１４】
図２は、複数の単セル１４０の積層体が燃料電池ケース１３５に収容されている様子を示す概略平面図である。単セル１４０のアノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。また、燃料電池ケース１３５は、複数の単セル１４０の積層体の防塵や防水等を確保するためのものであり、例えば、鉄合金やアルミニウム合金等の金属材料を用いて成形することができる。
【００１５】
図２（ａ）は、複数の単セル１４０の積層体を積層方向Ｘのアノード側セパレータ５０側から見た概略平面図である。図示の便宜上、アノード側セパレータ５０と燃料電池ケース１３５をハッチングしている。アノード側セパレータ５０の水平方向Ｚの一端縁部には、燃料ガス入口連通マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、酸化剤ガス入口連通マニホールド孔７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。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、冷却媒体入口連通マニホールド孔８２と、燃料ガス出口マニホールド孔６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。燃料ガス入口連通マニホールド孔６２および燃料ガス出口マニホールド孔６４と、酸化剤ガス入口連通マニホールド孔７２および酸化剤ガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口連通マニホールド孔８２および冷却媒体出口マニホールド孔８４、は水平方向Ｚの両側の外縁部分で互いに対向するように配置されている。また、アノード側セパレータ５０の各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４にそれぞれ連通したマニホールド開口部６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａはフレーム部材３２に形成されている。フレーム部材３２は、絶縁性を有する材料、例えば絶縁性の熱可塑ポリエチレンシートによって形成されており、ＭＥＧＡ２１と一体成形されている。なお、各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４および、各マニホールド開口部６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａは、開口が略矩形状である。
【００１６】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡＡ断面を示す説明図である。単セル１４０のフレーム部材３２は、各セパレータ４０，５０の外縁と燃料電池ケース１３５との間に挟まれて各セパレータ４０，５０の外縁を覆う折曲部３１を有している。１つの単セル１４０のフレーム部材３２の折曲部３１は、その単セル１４０のアノード側セパレータ５０の外縁と、そのアノード側セパレータ５０と隣接している他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０の外縁を覆うように形成されることが好ましい。折曲部３１は、燃料電池ケース１３５内に複数の単セル１４０の積層体を収容して押圧した後に、隣接する単セル１４０の折曲部３１同士の間にギャップが生じないように設定することが好ましい。すなわち、折曲部３１の長さＬ３１は、上述押圧時の単セル１４０のセパレータ４０，５０の積層方向Ｘにおける厚みの２倍に設定することが好ましい。但し、隣接する単セル１４０の折曲部３１同士の間に０．１ｍｍ以下のギャップが生じてもよいし、折曲部３１同士が多少重なり合ってもよい。
【００１７】
図３は、燃料電池ケース１３５に収容されていない状態の単セル１４０の概略平面図である。図３（ａ）は、フレーム部材３２の折曲部３１を平面に伸ばした状態の単セル１４０を積層方向Ｘのアノード側セパレータ５０側から見た概略平面図である。フレーム部材３２は、アノード側セパレータ５０の各長辺に相当する境界線３２Ｌの延長線上に、アノード側セパレータ５０の各頂点の位置を起点とした切れ込みＣ１〜Ｃ４を有している。これらの切れ込みＣ１〜Ｃ４は、フレーム部材３２を貫通している。また、フレーム部材３２は、アノード側セパレータ５０の各短辺に相当する境界線３２Ｓの延長線上に、アノード側セパレータ５０の各頂点の位置を起点とした折目Ｆ１〜Ｆ４を有している。これらの折目Ｆ１〜Ｆ４は、フレーム部材３２を貫通しておらず、刃先を当てて厚みを小さくした部分である。なお、境界線３２Ｌ，３２Ｓにも同様な折目加工を施すことが好ましい。図３（ｂ）は、図３（ａ）の単セル１４０の側面図である。参考として、単セル１４０が燃料電池ケース１３５に収容された後の側面図は図３（ｃ）に示している。この時、フレーム部材３２の折曲部３１は、各切れ込みＣ１〜Ｃ４と、各折目Ｆ１〜Ｆ４と、境界線３２Ｌ，３２Ｓとに沿ってアノード側セパレータ５０側に折り曲がり、アノード側セパレータ５０の外縁を覆っている。
【００１８】
図４は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の一例を示す説明図である。まず、図４（ａ）に示すように、白抜きの矢印の方向に沿って動作している搬送ローラ２００に、予めＭＥＧＡ２１と一体成形された絶縁性シートを載置し、破線の位置で切断してＭＥＧＡ２１とフレーム部材３２の接合体を得る。図４（ｂ）は、こうして得られた接合体の平面図である。フレーム部材３２の切れ込みＣ１〜Ｃ４と、折目Ｆ１〜Ｆ４および境界線３２Ｌ，３２Ｓ上の折目は、図４（ａ）の切断工程において同時に形成される。次に、図４（ｃ）に示すように、ＭＥＧＡ２１とフレーム部材３２の接合体の両面にそれぞれアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０とを貼り合わせる。続いて、フレーム部材３２の外周の部分を、切れ込みＣ１〜Ｃ４と、折目Ｆ１〜Ｆ４と、境界線３２Ｌ，３２Ｓとに沿ってアノード側セパレータ５０側に折り曲げて、折曲部３１を作製する。図４（ｄ）に示すように、フレーム部材３２の短辺側から見た時、フレーム部材３２の折曲部３１はアノード側セパレータ５０の外縁を覆う。これにより、単セル１４０の作製が完成する。続いて、複数の単セル１４０と、エンドプレート１１０（図示しない）と、絶縁板１２０と、集電板１３０とを積層し、燃料電池ケース１３５に入れて押圧することによって、燃料電池スタック１００を作製する。
【００１９】
図５は、折曲部３１の作製方法の一例を示す説明図である。まず、図５（ａ）に示すように、フレーム部材３２の２つの長辺部分Ｌをそれぞれ、切れ込みＣ１と，境界線３２Ｌと，切れ込みＣ３とからなる直線と、切れ込みＣ２と，境界線３２Ｌと，切れ込みＣ４とからなる直線とに沿ってアノード側セパレータ５０の中心に向かって折り曲げる。次に、図５（ｂ）に示すように、フレーム部材３２の２つの短辺部分Ｓをそれぞれ、境界線３２Ｓに沿ってアノード側セパレータ５０の中心に向かって折り曲げる。最後に、図５（ｃ）に示すように、フレーム部材３２の４つのコーナー部分Ｎをそれぞれ、折目Ｆ１〜Ｆ４に沿って折り曲げて、図５（ｄ）に示す折曲部３１を得る。
【００２０】
以上のように、単セル１４０の電気絶縁性のフレーム部材３２は、セパレータ４０，５０の外縁と燃料電池ケース１３５の内面とに挟まれてセパレータ４０，５０の外縁を覆う折曲部３１を有するので、複数の単セル１４０の積層体と燃料電池ケース１３５との絶縁性を確保できる。
【００２１】
本発明は、上述の実施形態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、前述した実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００２２】
１０…燃料電池システム
２０…ガス拡散層
２１…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３０…膜電極接合体
３１…折曲部
３２…フレーム部材
３２Ｌ，３２Ｓ…境界線
４０…カソード側セパレータ
４２…酸化剤ガス流路溝
５０…アノード側セパレータ
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
６２…燃料ガス入口連通マニホールド孔
６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａ…マニホールド開口部
６４…燃料ガス出口マニホールド孔
７２…酸化剤ガス入口連通マニホールド孔
７４…酸化剤ガス出口マニホールド孔
８２…冷却媒体入口連通マニホールド孔
８４…冷却媒体出口マニホールド孔
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１３５…燃料電池ケース
１４０…単セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
２００…搬送ローラ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…切れ込み
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４…折目
Ｌ…長辺部分
Ｎ…コーナー部分
Ｓ…短辺部分
Ｘ…積層方向
Ｙ…鉛直方向
Ｚ…水平方向
【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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