(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタックの外部に水漏れが発生することを確実に阻止することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層された積層体１２ａｓ．を備え、前記積層体１２ａｓ．がスタックケース２２に収納される。スタックケース２２を構成するローワーパネル６４の内面６４ｓと積層体１２ａｓ．の下部との間には、隙間７２が形成されるとともに、前記隙間７２には、吸水性ポリマーシート７４が配置される。【選択図】図２
2017135016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する発電セルが、複数積層された積層体を備え、前記積層体がスタックケース内に収納される燃料電池スタックであって、
前記スタックケースの底面と前記積層体の下部との間には、隙間が形成されるとともに、
前記隙間には、吸水性ポリマーシートが配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、前記積層体は、複数の前記発電セルが発電面を立位姿勢にして水平方向に積層され、
前記積層体の上方からの平面視で、該積層体全体が前記吸水性ポリマーシートの範囲内に配置され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】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する発電セルが、複数積層された積層体を備え、前記積層体がスタックケース内に収納される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
【０００３】
燃料電池スタックでは、所定の数の発電セルが積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層されるとともに、前記エンドプレート間に締め付け荷重を付与する構成が採用されている。
【０００４】
この種の燃料電池スタックにおいて、例えば、電解質膜の収縮膨張やシール不良により、水漏れが惹起するおそれがある。そこで、例えば、特許文献１には、セル積層体からの水漏れ量が微量であっても、この水漏れを外部から簡単に検知することが可能なセル積層体カバーが開示されている。
【０００５】
セル積層体カバーは、光透過性を有し、セル積層体に密着した状態で、当該セル積層体を包囲している。このため、セル積層体からの水漏れ量が微量であっても、この水漏れを外部から簡単に検知することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７９４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のセル積層体カバーでは、セル積層体からの水漏れを外部から検知しなければならず、この検知作業が煩雑化するという問題がある。また、検知処理を自動的に行う場合には、構成が複雑化するとともに、コストが高騰するという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタックの外部に水漏れ自体が発生することを確実に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する発電セルが、複数積層された積層体を備え、前記積層体がスタックケース内に収納される燃料電池スタックに関するものである。そして、スタックケースの底面と積層体の下部との間には、隙間が形成されるとともに、前記隙間には、吸水性ポリマーシートが配置されている。
【００１０】
また、この燃料電池スタックでは、積層体は、複数の発電セルが発電面を立位姿勢にして水平方向に積層され、前記積層体の上方からの平面視で、該積層体全体が吸水性ポリマーシートの範囲内に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、スタックケースの底面と積層体の下部との間に形成される隙間には、吸水性ポリマーシートが配置されている。このため、積層体から水漏れが発生すると、前記積層体の下部に配置されている吸水性ポリマーシートにより吸水が行われる。
【００１２】
その際、吸水性ポリマーシートは、吸水により膨張し、積層体の漏水部位に密着して前記漏水部位を閉塞することができる。従って、積層体は、吸水性ポリマシート自体により漏水部位が閉塞されるため、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタックの外部に水漏れが発生することを確実に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの側面断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する吸水性ポリマーシートの動作説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１２ａｓ．を備える。なお、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２を重力方向（矢印Ｃ方向）に積層してもよい。
【００１５】
図１〜図３に示すように、発電セル１２の積層方向一端（積層体１２ａｓ．の一端）には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが、外方に向かって、順次、配設される。発電セル１２の積層方向他端（積層体１２ａｓ．の他端）には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが、外方に向かって、順次、配設される。
【００１６】
第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、発電セル１２、第１絶縁プレート１６ａ及び第２絶縁プレート１６ｂの外形寸法よりも大きな外形寸法に設定される。第１ターミナルプレート１４ａは、第１絶縁プレート１６ａの内部の凹部に収容される一方、第２ターミナルプレート１４ｂは、第２絶縁プレート１６ｂの内部の凹部に収容されてもよい。
【００１７】
横長形状（長方形状）の第１エンドプレート１８ａの中央部（又は中央部から偏心した位置）からは、第１ターミナルプレート１４ａに接続された第１電力出力端子２０ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート１８ｂの中央部（又は中央部から偏心した位置）からは、第２ターミナルプレート１４ｂに接続された第２電力出力端子２０ｂが外方に向かって延在する。
【００１８】
第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂは、積層体１２ａｓ．を収納するスタックケース２２（後述する）の積層方向両端部を構成する。第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂは、互いの離間間隔を一定距離に維持し、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。
【００１９】
図４に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２４が、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８に挟持される。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、金属製セパレータ又はカーボン製セパレータにより構成される。
【００２０】
発電セル１２の矢印Ａ方向の一端縁部には、それぞれ積層方向（矢印Ｂ方向）に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する一方、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
【００２１】
発電セル１２の矢印Ａ方向の他端縁部には、それぞれ矢印Ｂ方向に個別に連通して、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。
【００２２】
第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に流通させる複数本の直線状溝部（又は波状溝部）を有する。
【００２３】
第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面には、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。燃料ガス流路３８は、燃料ガスを矢印Ａ方向に流通させる複数本の直線状溝部（又は波状溝部）を有する。
【００２４】
互いに隣接し発電セル１２を構成する第１セパレータ２６と第２セパレータ２８との間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路４０が設けられる。第１セパレータ２６には、第１シール部材４２が一体的又は個別に設けられる。第２セパレータ２８には、第２シール部材４４が一体的又は個別に設けられる。
【００２５】
第１シール部材４２及び第２シール部材４４としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード電極４８及びアノード電極５０とを備える。カソード電極４８及びアノード電極５０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４６の両面に形成される。
【００２７】
図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの一方の対角位置には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに連通する酸化剤ガス供給マニホールド５２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに連通する酸化剤ガス排出マニホールド５２ｂとが設けられる。第１エンドプレート１８ａの他方の対角位置には、燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する燃料ガス供給マニホールド５４ａと、燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する燃料ガス排出マニホールド５４ｂとが設けられる。
【００２８】
図１及び図３に示すように、第２エンドプレート１８ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａに連通する冷却媒体供給マニホールド５６ａと、冷却媒体出口連通孔３２ｂに連通する冷却媒体排出マニホールド５６ｂとが設けられる。
【００２９】
図１〜図３に示すように、スタックケース２２は、前方サイドパネル５８、後方サイドパネル６０、アッパーパネル６２、ローワーパネル６４、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂを備える。スタックケース２２を構成する各部品は、互いに、さらに第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂに対して、孔部６６を通ってねじ穴６８に螺合するねじ７０により固定される。
【００３０】
図２に示すように、スタックケース２２の底面であるローワーパネル６４の内面６４ｓと積層体１２ａｓ．の下部との間には、隙間７２が形成されるとともに、前記隙間７２には、吸水性ポリマーシート７４が配置される。吸水性ポリマーシート７４は、所謂、高吸水性ポリマータイプの水膨潤性止水材であり、具体的には、日本化学塗料株式会社製パイルロックやケミカコート、又はランシールR Fが使用される。
【００３１】
吸水性ポリマーシート７４は、積層体１２ａｓ．の積層方向の全長（矢印Ｂ方向の寸法）と同一又は同一以上の長さを有するとともに、前記積層体１２ａｓ．の幅寸法（矢印Ａ方向の寸法）と同一又は同一以上の幅寸法を有する。
【００３２】
具体的には、図３に示すように、積層体１２ａｓ．の上方からの平面視で、該積層体１２ａｓ．全体が吸水性ポリマーシート７４の範囲内に配置される。すなわち、吸水性ポリマーシート７４の積層方向（矢印Ｂ方向）の長さは、第１絶縁プレート１６ａ及び第２絶縁プレート１６ｂの矢印Ｂ方向の間隔と同一である。さらに、吸水性ポリマーシート７４の矢印Ａ方向の幅寸法は、積層体１２ａｓ．の矢印Ａ方向の両端よりも、それぞれ幅方向両側に所定の長さＬだけ突出する寸法に設定される。
【００３３】
図２に示すように、吸水性ポリマーシート７４は、ローワーパネル６４の内面６４ｓに、例えば、接着により固定されることが好ましい。吸水性ポリマーシート７４の上面と積層体１２ａｓ．の下部とは、距離Ｓだけ離間する。
【００３４】
距離Ｓは、後述するように、吸水性ポリマーシート７４が吸水して膨潤した際、前記吸水性ポリマーシート７４が積層体１２ａｓ．の漏水部位に密着して前記漏水部位を閉塞するように設定される。一方、距離Ｓは、燃料電池スタック１０の通常運転時には、常時、吸水性ポリマーシート７４の上面と積層体１２ａｓ．の下部とが離間するように設定される。
【００３５】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
まず、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給マニホールド５２ａから酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。一方、第１エンドプレート１８ａの燃料ガス供給マニホールド５４ａから燃料ガス入口連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
【００３７】
さらに、第２エンドプレート１８ｂでは、冷却媒体供給マニホールド５６ａから冷却媒体入口連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３８】
このため、図４に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２セパレータ２８の燃料ガス流路３８に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に沿って流通することにより、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード電極５０に供給される。
【００３９】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１セパレータ２６の酸化剤ガス流路３６に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向（燃料ガスとは反対方向）に沿って流通することにより、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード電極４８に供給される。
【００４０】
従って、電解質膜・電極構造体２４では、アノード電極５０に供給される水素ガスと、カソード電極４８に供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４１】
発電により一部が消費された燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス出口連通孔３４ｂから第１エンドプレート１８ａの燃料ガス排出マニホールド５４ｂに排出される。発電により一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂから第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス排出マニホールド５２ｂに排出される。
【００４２】
また、冷却媒体は、図４に示すように、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８間の冷却媒体流路４０に導入される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂを流通して冷却媒体排出マニホールド５６ｂに排出される。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、スタックケース２２を構成するローワーパネル６４の内面６４ｓと積層体１２ａｓ．の下部との間に形成される隙間７２には、吸水性ポリマーシート７４が配置されている。このため、積層体１２ａｓ．から水漏れが発生すると、前記積層体１２ａｓ．の下部に配置されている吸水性ポリマーシート７４により吸水が行われる。
【００４４】
具体的には、図５に示すように、吸水性ポリマーシート７４は、積層体１２ａｓ．から漏れた水Ｗを吸水することにより部分的に膨張し、膨潤部位７４ｅｘ．が形成される。そして、膨潤部位７４ｅｘ．は、積層体１２ａｓ．の漏水部位に密着することにより、前記漏水部位を閉塞（止水）することができる。なお、例えば、第２ターミナルプレート１４ｂとローワーパネル６４との間の抵抗を計測することにより、水漏れを検出してもよい。
【００４５】
しかも、図３に示すように、積層体１２ａｓ．の上方からの平面視で、該積層体１２ａｓ．全体が吸水性ポリマーシート７４の範囲内に配置されている。従って、積層体１２ａｓ．のいずれの部位から水漏れが惹起しても、吸水性ポリマーシート７４により良好に吸水することができる。
【００４６】
これにより、積層体１２ａｓ．は、吸水性ポリマーシート７４自体（膨潤部位７４ｅｘ．）により漏水部位が閉塞される。このため、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタック１０の外部に水漏れが発生することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００４７】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の要部斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
燃料電池スタック８０は、吸水性ポリマーシート８２を備える。吸水性ポリマーシート８２は、積層体１２ａｓ．の積層方向（矢印Ｂ方向）の全長よりも長尺に構成されるとともに、前記積層体１２ａｓ．の幅寸法（矢印Ａ方向の寸法）よりも大きな幅寸法を有する。
【００４９】
吸水性ポリマーシート８２の幅方向（矢印Ａ方向）両端には、積層体１２ａｓ．の下部幅方向両端でそれぞれ水平方向から鉛直上方向に折り返す折り返し部８２ａ、８２ｂが設けられる。折り返し部８２ａ、８２ｂの高さ寸法は、例えば、積層体１２ａｓ．からの漏水状態や前記折り返し部８２ａ、８２ｂの吸水量等を考慮して設定される。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、スタックケース２２を構成するローワーパネル６４の内面６４ｓと積層体１２ａｓ．の下部との間に形成される隙間７２には、吸水性ポリマーシート８２が配置されている。そして、積層体１２ａｓ．の上方からの平面視で、該積層体１２ａｓ．全体が吸水性ポリマーシート８２の範囲内に配置されている。
【００５１】
このため、積層体１２ａｓ．から水漏れが発生すると、前記積層体１２ａｓ．の下部に配置されている吸水性ポリマーシート８２により吸水が行われる。従って、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタック８０の外部に水漏れが発生することを確実に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
しかも、吸水性ポリマーシート８２の幅方向両端には、積層体１２ａｓ．の下部幅方向両端で水平方向から鉛直上方向に折り返す折り返し部８２ａ、８２ｂが設けられている。これにより、吸水性ポリマーシート８２は、吸水によって積層体１２ａｓ．の漏水部位に確実に密着することができ、燃料電池スタック８０の外部への水漏れを可及的に抑制することが可能になる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、８０…燃料電池スタック        １２…発電セル
１２ａｓ．…積層体                  １８ａ、１８ｂ…エンドプレート
２２…スタックケース                ２４…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ              ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔          ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔          ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路                  ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材              ４６…固体高分子電解質膜
４８…カソード電極                  ５０…アノード電極
５８…前方サイドパネル              ６０…後方サイドパネル
６２…アッパーパネル                ６４…ローワーパネル
６４ｓ…内面                        ７２…隙間
７４、８２…吸水性ポリマーシート    ８２ａ、８２ｂ…折り返し部
【図１】
2017135016.tif 000003
【図２】
2017135016.tif 000004
【図３】
2017135016.tif 000005
【図４】
2017135016.tif 000006
【図５】
2017135016.tif 000007
【図６】
2017135016.tif 000008