(57)【要約】【課題】シール材塗布時に硬化前の柔らかいシール材が凹部に流入して冷却媒体流路を塞ぐことを抑制することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】セルユニットの積層方向に隣接するモジュール同士で対面する２枚のセパレータのうち、セパレータ５０は、セパレータ１００と対面する面に、冷却媒体が流通する冷却媒体用の凹部（冷却媒体用の第１の凹部５１、冷却媒体用の第２の凹部５２）と、シール機能が設けられる、シール用の第１の凹部５４およびシール用の第２の凹部５５，５６（シール形成部）と、を有する。前記冷却媒体用の凹部は、前記シール形成部との境界領域に、シール材流出防止用突片６２，６３（凸部）が形成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を２枚のセパレータで挟持してセルユニットを形成し、このセルユニットを積層してモジュールを複数形成し、これらの複数のモジュールのうち積層方向に隣接するモジュール同士の間に、冷却媒体の流出を防止するシール機能を設けて形成する燃料電池スタックにおいて、
セルユニットの積層方向に隣接するモジュール同士で対面する２枚のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、他方のセパレータと対面する面に、冷却媒体が流通する冷却媒体用の凹部と、前記シール機能が設けられるシール形成部とを有し、
前記シール形成部と冷却媒体用の凹部との境界部分に、凸部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記シール形成部の少なくとも一部は、前記セパレータと前記膜電極接合体との間でガス又は冷却媒体をシールするように前記セパレータを前記膜電極接合体側に突出させて形成されたシール用の凹部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【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】
燃料電池スタックにおいては、セルユニットを積層してモジュールを形成し、このモジュールを積層して燃料電池スタックが形成される。そして、スタックの積層方向に沿って隣接するモジュール同士の間に、冷却媒体の流出を防止するシール機能を設けている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１においては、隣接するモジュール同士の間に、シール材が設けられたシールプレートを介在させることによって前記シール機能を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／１３２８６０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたように、隣接するモジュール間にシールプレートを挿入すると、その分スタックの積層方向の寸法が大きくなり、スタックが大型化する。従って、大型化を抑制するため、発電に寄与しないシールプレートを廃止して、モジュール端のセパレータにシール機能を持たせたいという要望がある。
【０００６】
ところが、セパレータには、隣接するセパレータ同士の間に冷却媒体流路を構成する凹部が形成されており、セパレータにシール機能を持たせるためにシール材を形成しようとすると、シール材を塗布する時に硬化前の柔らかいシール材が冷却媒体用の凹部に流入し、冷却媒体流路を塞ぐ虞がある。
【０００７】
そこで、本発明は、シール材塗布時に硬化前の柔らかいシール材が冷却媒体用の凹部に流入して冷却媒体流路を塞ぐことを抑制することができる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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、スタックの積層方向に隣接するモジュール同士で対面する２枚のセパレータについて、少なくとも一方のセパレータは、冷却媒体が流通する冷却媒体用の凹部と、シール機能を有するシール形成部とを有する。前記冷却媒体用の凹部とシール形成部との境界部分に凸部が形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池スタックは、シール材の成形時に、凸部を乗り越えて溶融したシール材が冷却媒体流路に流入してバリ部が成形された場合、凸部ではシール材の厚さが局所的に薄い薄肉部に形成される。このため、当該薄肉部は脆弱部となるので、シール材が硬化した後に、薄肉部でバリ部を容易に切断でき、流入したバリ部を効率的に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観を示す斜視図である。
【図２】図２のうち、（ａ）は、モジュールを構成するセパレータ、および膜電極接合体の配置を説明するための表面を示す平面図であり、（ｂ）は、裏面を示す平面図である。
【図３】図３は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの表面側のセパレータを斜め上側から見た斜視図であり、シール材を省略している。
【図４】図４は、図３の平面図である。
【図５】図５は、図３におけるマニホールド孔の近傍部を拡大した分解斜視図であり、シール材のバリ部分が残った状態を示す。
【図６】図６は、図３におけるマニホールド孔の近傍部を拡大した斜視図であり、シール材のバリ部分が残った状態を示す。
【図７】図７は、図３におけるマニホールド孔の近傍部を拡大した斜視図であり、シール材のバリ部分を除去した状態を示す。
【図８】図８は、図５におけるマニホールド孔の近傍部を拡大した平面図である。
【図９】図９は、図８のＡ−Ａ線による断面図である。
【図１０】図１０は、金型にセパレータをセットしてキャビティ内に溶融ゴムを充填した状態を示す断面図である。
【図１１】図１１は、図１０から金型を取り外した状態を示す平面図である。
【図１２】図１２は、図１１のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図１３】図１３は、図１２のバリ部を除去した状態を示す平面図である。
【図１４】図１４は、図１３のＣ−Ｃ線による断面図である。
【図１５】図１５は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの断面図であり、図４のＤ−Ｄ断面に対応している。
【図１６】図１６は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの上面側のセパレータと、上から１番目のモジュールの最下端に配置されたセルユニットの下面側のセパレータとの斜視図を示す。
【図１７】図１７は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの上面側のセパレータの断面を実線で示し、上から１番目のモジュールの最下端に配置されたセルユニットの下面側のセパレータの断面を二点鎖線で示す。これらの断面図は、図４のＥ−Ｅ断面に対応している。
【図１８】図１８は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの上面側のセパレータの断面を実線で示し、上から１番目のモジュールの最下端に配置されたセルユニットの下面側のセパレータの断面を二点鎖線で示す。これらの断面図は、図４のＦ−Ｆ断面に対応している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。なお、図面において、冷却媒体の流通方向をＸとし、流通方向Ｘと直交する方向をＹとし、セルユニット２０の積層方向（上下方向）をＺとする。
【００１２】
図１に示す燃料電池スタック１は、Ｚ方向に積層された複数（本実施形態では３つ）のモジュールＭを有する。互いにＺ方向で隣接するモジュールＭ，Ｍ同士の間には、冷却媒体の流出を防止するシール機能を設けている。このシール機能については、詳細に後述する。これらのモジュールＭは、エンドプレート１０，１１により図示における上下両側（Ｚ方向の上端と下端の両側）から挟圧されている。
【００１３】
つまり、セルユニット２０をＺ方向に沿って積層させて１つのモジュールＭを構成し、このモジュールＭをＺ方向に沿って積層し、この複数のモジュールＭを上側のエンドプレート１０と下側のエンドプレート１１とで挟み込むことによって、燃料電池スタック１が構成されている。
【００１４】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、１つのセルユニット２０は、膜電極接合体３０と、膜電極接合体３０の上面側（Ｚ方向の上側）に配置されたアノード側セパレータ４０と、膜電極接合体３０の下面側（Ｚ方向の下側）に配置されたカソード側セパレータ４１と、から構成される。膜電極接合体３０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば、中央部に固体高分子からなる電解質膜と、電解質膜を挟持する一対の電極とを備える。なお、１つのモジュールＭを構成するセルユニット２０の数や、１つの燃料電池スタック１を構成するモジュールＭの数は限定されない。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、セパレータにおける平面視で左側のマニホールド部は、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３を備える。各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３は、酸素含有ガス供給用（Ｍ１）、冷却流体供給用（Ｍ２）および水素含有ガス供給用（Ｍ３）であり、積層方向（Ｚ方向）に連続して酸素含有ガス、冷却媒体、水素含有ガスの流通路をなしている。
【００１６】
また、セパレータにおける平面視で右側のマニホールド部は、マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６を備える。各マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６は、水素含有ガス排出用（Ｍ４）、冷却流体排出用（Ｍ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｍ６）であり、積層方向（Ｚ方向）に連続して水素含有ガス、冷却流体、酸素含有ガスの流通路をなしている。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。また、外縁部の全周にわたる部分、およびマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の周囲の部分に、シール材８０が連続的に設けてある。
【００１７】
図３，４に示すセパレータ５０は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールＭのうち、上側から２番目のモジュールＭの最上端に配置されたセルユニット２０の上面側に設けられたセパレータ５０を見た図である。そして、図１の燃料電池スタック１を構成するモジュールＭのうち、最も上側のモジュールＭの最下端に配置されたセルユニット２０の下側のセパレータの下面側に、図３，４のセパレータ５０の上面側が当接する。
【００１８】
セパレータ５０の上面には、長手方向（Ｘ方向）の中央側に形成される冷却媒体用の第１の凹部５１と、長手方向の端部側に形成される冷却媒体用の第２の凹部５２，５３と、が形成されている。また、冷却媒体用の第１の凹部５１の外周側には、シール用の第１の凹部５４（シール形成部）が延在しており、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の周囲には、シール用の第２の凹部５５，５６（シール形成部）が延在している。
【００１９】
図５〜図７に示すように、マニホールド孔Ｍ２を囲んで上面側に突出する突起部６０が環状（平面視で矩形状）に形成されており、この突起部６０の４辺のうち、セパレータ５０の中央側に向いた辺６１ａの近傍に、シール材流出防止用突片６２，６３（凸部）が一対に設けられている。具体的には、セパレータ５０の中央側の辺６１ａの延在方向の両端部に、それぞれ１つずつのシール材流出防止用突片６２，６３（凸部）が形成されている。なお、シール材６４は、例えばゴムからなり、シール用の第２の凹部５５には、図５の点ハッチングに示す接着剤６５が塗布される。図６に示すように、マニホールド孔Ｍ２の周囲を取り囲むシール材６４の端部には、シール材流出防止用突片６２，６３を覆うバリ部６６，６７が張り出している。そして、バリ部６６，６７を引きはがすと、シール材流出防止用突片６２，６３を境にしてバリ部６６，６７が切除される。なお、冷却媒体用の第１の凹部５１と冷却媒体用の第２の凹部５２との間には、Ｙ方向に沿って複数の突出部６８が形成されている。
【００２０】
以下に、シール材の形成方法の手順を説明する。
【００２１】
まず、図８の点ハッチングに示すように、シール用の第２の凹部５５に接着剤６５を塗布する。そして、図９に示すように、金型７０にセパレータ５０の上面側をセットする。金型７０の下面には、窪み部７０ａが形成されている。これにより、金型７０とセパレータ５０とによってキャビティが形成される。次に、図１０に示すように、このキャビティ内に溶融ゴム７１を流し込んで充填させる。そして、金型７０からセパレータ５０を取り外すと、図１１，１２に示すように、マニホールド孔Ｍ２の周囲を取り囲むシール材６４の端部に、シール材流出防止用突片６２，６３を覆うバリ部６６，６７が張り出している。
【００２２】
ここで、シール材流出防止用突片６２，６３（凸部）と金型７０の下面との隙間は、局所的に狭く形成されている。従って、溶融ゴム７１は、シール材流出防止用突片６２，６３まで流れたのち、シール材流出防止用突片６２，６３と金型の下面との隙間からわずかに漏れ出してバリ部６６，６７が成形される。従って、シール材流出防止用突片６２，６３の部分におけるシール材６４は、局所的に薄い薄肉部に形成している。また、図８で説明したように、一対のシール材流出防止用突片６２，６３の間には、接着剤６５が塗布されていないため、バリ部６６，６７のセパレータ５０との接合力は小さくなっている。
【００２３】
そして、図１２〜図１４に示すように、バリ部６６，６７を引きはがすと、シール材流出防止用突片６２，６３を境にしてバリ部６６，６７が切除される。
【００２４】
図１５は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの断面図であり、図４のＤ−Ｄ断面に対応している。
【００２５】
セルユニット２０は、膜電極接合体３０を２枚のセパレータ５０，１００で挟持して形成されている。具体的には、燃料電池スタック１の積層方向であるＺ方向における中央側には、膜電極接合体３０が配置されている。膜電極接合体３０の上面には、セパレータ５０が接着層９１を介して接合されている。また、膜電極接合体３０の下面には、セパレータ１００が接着層９２を介して接合されている。
【００２６】
ここで、セパレータ５０には、前述したように、シール用の第２の凹部５５（シール用の凹部）が形成されている。シール用の第２の凹部５５は、セパレータ５０と膜電極接合体３０との間でガスまたは冷却媒体をシールするようにセパレータ５０を膜電極接合体側に突出させて形成されている。
【００２７】
図１６は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの上面側のセパレータ５０と、上から１番目のモジュールの最下端に配置されたセルユニットの下面側のセパレータ１０１と、の斜視図を示す。また、図１７は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの上面側のセパレータ５０の断面を実線で示し、上から１番目のモジュールの最下端に配置されたセルユニットの下面側のセパレータ１０１の断面を二点鎖線で示す。これらの断面図は、図４のＥ−Ｅ断面に対応している。
【００２８】
図１６，１７に示すように、セパレータ５０とセパレータ１０１とは、シール材６４を介してシールされている。即ち、シール材６４が上下方向の荷重によって多少撓んで弾接した状態でシール機能を発揮する。
【００２９】
図１８は、図１の燃料電池スタックを構成するモジュールのうち、上から２番目のモジュールの最上端に配置されたセルユニットの上面側のセパレータ５０の断面を実線で示し、上から１番目のモジュールの最下端に配置されたセルユニットの下面側のセパレータ１０１の断面を二点鎖線で示す。これらの断面図は、図４のＦ−Ｆ断面に対応している。
【００３０】
図１８に示すように、セパレータ５０とセパレータ１０１とは、Ｚ方向に離間して隙間１０２が形成されており、矢印に示す方向に冷却媒体が前記隙間１０２の内部に流入する。
【００３１】
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。
【００３２】
（１）膜電極接合体３０を２枚のセパレータ５０，１００で挟持してセルユニット２０を形成し、このセルユニット２０を積層してモジュールＭを複数形成し、これらの複数のモジュールＭのうち積層方向に隣接するモジュール同士Ｍ，Ｍの間に、冷却媒体の流出を防止するシール機能を設けた燃料電池スタック１である。セルユニット２０の積層方向に隣接するモジュール同士Ｍ，Ｍで対面する２枚のセパレータ５０，１０１のうち、少なくとも一方のセパレータ５０は、他方のセパレータ１０１と対面する面に、冷却媒体が流通する冷却媒体用の凹部（冷却媒体用の第１の凹部５１、冷却媒体用の第２の凹部５２）と、前記シール機能が設けられる、シール用の第１の凹部５４およびシール用の第２の凹部５５，５６（シール形成部）と、を有する。前記冷却媒体用の凹部と前記シール形成部との境界部分に、シール材流出防止用突片６２，６３（凸部）が形成される。
【００３３】
本実施形態に係る燃料電池スタック１は、シール材６４を設ける場合に、硬化前のシール材６４がシール材流出防止用突片６２，６３（凸部）を乗り越えて冷却媒体流路に流入したバリ部６６，６７が成形されたとしても、シール材流出防止用突片６２，６３（凸部）に対応する部分では、シール材６４に局所的な薄肉部が形成される。この薄肉部は、ほかの部位よりも脆弱であるため、シール材６４が硬化した後に容易に切断して除去することができる。
【００３４】
（２）図１５に示すように、シール用の第１の凹部５４およびシール用の第２の凹部５５，５６（シール形成部）の少なくとも一部は、セパレータ５０，１００と膜電極接合体３０との間でガス又は冷却媒体をシールするようにセパレータを膜電極接合体側に突出させて形成されたシール用の凹部である。
【００３５】
従って、シール用の第１の凹部５４およびシール用の第２の凹部５５，５６（シール形成部）を用いて、セパレータ５０，１００と膜電極接合体３０との間でガス又は冷却媒体をシールすることができる。
【００３６】
ところで、本発明の燃料電池スタックは前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。
【００３７】
例えば、本実施形態では、シール材流出防止用突片６２，６３は、Ｘ方向に沿って角柱状に延在して形成したが、半円柱状に形成してもよい。また、本実施形態では、一方のセパレータ５０にシール形成部およびシール材を設けたが、他方のセパレータ１０１にシール形成部およびシール材を設けてもよく、セパレータ５０，１０１の双方にシール形成部およびシール材を設けてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
２０  セルユニット
３０  膜電極接合体
５０，１００，１０１  セパレータ
５１  冷却媒体用の第１の凹部（冷却媒体用の凹部）
５２  冷却媒体用の第２の凹部（冷却媒体用の凹部）
５４  シール用の第１の凹部（シール形成部）
５５，５６  シール用の第２の凹部（シール形成部）
６２，６３  シール材流出防止用突片（凸部）
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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