JP5958746B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池に関し、とくに、積層した単セル同士の間に冷却液を流通させる構造を有する燃料電池スタックに関するものである。

従来において、上記したような燃料電池スタックとしては、例えば特許文献１に燃料電池として記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、複数枚の燃料電池セルを積層したものである。燃料電池セルは、ＭＥＡ（膜電極接合体）の両側に、断面凹凸形状を有する水素極と、同じく断面凹凸形状の排水層を含む酸素極とを備えると共に、水素極及び酸素極との間に水素流路及び酸素流路を夫々形成する平板セパレータを備えている。また、燃料電池は、酸素極側に冷媒流路部を備えている。

冷媒流路部は、２枚の平板セパレータと、その間に挟まれた予圧プレートを備え、両平板セパレータの間を冷却水の流路としている。予圧プレートは、断面波形状を成しており、燃料電池の各構成部品の形状誤差により局所的に生じた荷重を分散することによって、各構成部品に均等な荷重を印加するものである。

特許第４４３２５１８号公報

ところで、この種の燃料電池スタックは、自動車等の車両の電源として用いる場合、搭載スペースが狭く限られているので小型化も非常に重要である。ところが、上記したような従来の燃料電池スタック（燃料電池）では、単セル（燃料電池セル）が、断面凹凸形状を有する電極と、平板セパレータと、与圧プレートの組み合わせであることから、変位吸収機能を維持しつつ単セルを薄型にすることが難しく、燃料電池スタックの小型化を困難にしていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、積層した単セル同士の間に冷却液を流通させる構造を有する燃料電池スタックであって、単セル間の変位吸収機能を良好に維持しつつ小型化を実現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している。

本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して成る単セルを複数枚積層して構成される。この燃料電池スタックは、隣接する単セル同士の間に、冷却液の流通空間を形成すると共に、この流通空間に配置して単セル間の変位を吸収する板状の変位吸収部材を備え、セパレータが、断面凹凸形状を冷却液の流通方向に連続的に有している。

そして、燃料電池スタックは、板状の変位吸収部材が、厚さ方向の変形に伴ってセパレータとの接触部分が面内方向に移動する部材であって、接触部分の移動方向がセパレータの凹凸の連続方向となるように配置してあると共に、セパレータの凸部に接触している構成としており、上記構成を従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係る燃料電池スタックは、積層した単セル同士の間に冷却液を流通させる構造を有する燃料電池スタックにおいて、単セル間の変位吸収機能を良好に維持しつつ小型化を実現することができる。

本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態を説明する凹凸幅方向の断面図（Ａ）、及び凹凸形状の連続方向の断面図（Ｂ）である。 変位吸収部材を説明する斜視図（Ａ）、及びばね機能部の動作を説明する側面図（Ｂ）である。 本発明に係る燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する各々断面図（Ａ）（Ｂ）である。 本発明に係る燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する各々断面図（Ａ）（Ｂ）である。 本発明に係る燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する斜視図である。 本発明に係る燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する凹凸形状の連続方向の断面図（Ａ）及び斜視図（Ｂ）である。

図１（Ａ）（Ｂ）に示す燃料電池スタックＦＳは、発電要素である単セルＣを複数枚積層したものである。この燃料電池スタックＦＳは、隣接する単セルＣ同士の間に、冷却液の流通空間Ｆを形成すると共に、前記流通空間Ｆに配置して単セルＣ間の変位を吸収する変位吸収部材１０を備えている。

単セルＣは、膜電極接合体１を一対のセパレータ２，２で挟持した構造を有している。膜電極構造体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示を省略したが、固体高分子膜から成る電解質層を一対の電極層であるアノード層及びカソード層で挟持したものである。アノード層及びカソード層は、触媒層や適数のガス拡散層を積層した構造である。

セパレータ２，２は、例えばステンレス製であって、少なくとも膜電極接合体１に対応する部分が断面凹凸形状に形成してある。セパレータ２，２は、その断面凹凸形状を冷却液の流通方向（図１Ｂにおける矢印Ａ方向）に連続的に有しており、膜電極接合体１との間に、波形の凹部によりアノードガス（水素含有ガス）及びカソードガス（酸素含有ガス：空気）のガス流路３，３を形成する。また、図示例のセパレータ２は、いずれも断面四角形の凸部２Ａ及び凹部２Ｂを有している。よって、凸部２Ａの上面は平面である。

そして、燃料電池スタックＦＳでは、流通空間Ｆにおける冷却液の流通方向（矢印Ａ方向）と、各ガス流路３，３におけるアノードガスの流通方向（矢印Ｂ方向）及びカソードガスの流通方向（矢印Ｃ方向）とが、同一方向になっている。

上記のセパレータ２は、表裏反転形状を有している。したがって、セパレータ２は、流通空間Ｆ側に突出した凸部２Ａが、その反対側では凹部となり、流路空間Ｆ側に開放した凹部２Ｂが、その反対側では凸部となる。このようなセパレータ２は、例えばプレス加工によって製造することができ、その凹凸形状により、機械的強度が増すうえに、両面側に流路を形成することができるので、膜電極接合体１の薄型化や単セルＣの薄型化を実現し得るものである。

なお、膜電極接合体１と各セパレータ２との間や、隣接する単セルＣ同士の間すなわち流路空間Ｆは、外周部に適宜のガスシールが施してあり、各層間には、図示しない供給路及び排出路を通して、アノードガス、カソードガス及び冷却液を流通させる。

変位吸収部材１０は、概略的には、厚さ方向の変形に伴ってセパレータ２との接触部分が面内方向（図１Ｂにおいて左右方向）に移動する部材である。この変位吸収部材１０は、接触部分の移動方向がセパレータ２の凹凸形状の連続方向となるように配置してある。なお、凹凸形状の連続方向とは、凹凸形状の断面が連続している方向（凸部２Ａ及び凹部２Ｂの長手方向）であり、凹凸が順に連なる方向ではない。

この実施形態の変位吸収部材１０は、図２（Ａ）にも示すように、薄い金属プレートを素材とし、単セルＣ間のコネクタを兼用するために導電性を有し、基板１０Ａの片面に多数のばね機能部１０Ｂを縦横に配列した構造である。これにより、変位吸収部材１０は、流通空間Ｆを介して相対向する一対のセパレータ２，２のうちの一方のセパレータ２（図１中で単セルＣの下側のセパレータ）に基板１０Ａが接触し、他方のセパレータ２（図１中で単セルＣの上側のセパレータ）にばね機能部１０Ｂが接触する。

ばね機能部１０Ｂは、基端を基板１０Ａへの固定端とし且つ先端側を自由端とした片持ち梁構造の舌片状を成している。このばね機能部１０Ｂは、図２（Ｂ）に示すように、厚さ方向の変形に伴って基板１０Ａとの角度が変化し、セパレータ２との接触部分である自由端の先端が、矢印で示す如く面内方向である凹凸形状の連続方向に変位する。

また、変位吸収部材１０は、各ばね機能部１０Ｂが、基板１０Ａから切り起した状態に形成してある。これにより、基板１０Ａは、各ばね機能部１０Ｂの下側に、ばね機能部１０Ｂの切り起しにより形成された開口部１０Ｃを有している。さらに、変位吸収部材１０は、各ばね機能部１０Ｂのうちの少なくとも一つが、自由端を冷却液の流通方向下流側に向けた状態で配置してあり、図示例では全てのばね機能部１０Ｂが同じ向きである。

上記構成を備えた燃料電池スタックＦＳは、単セルＣが、断面凹凸形状を有するセパレータ２と、変位吸収部材１０の組合わせであるから、ガス流路３や冷却液の流通空間Ｆが所定の流路面積で効率的に配置され、単セルＣの薄型化を実現する。

また、燃料電池スタックＦＳは、変位吸収部材１０によって単セルＣ間の変位を吸収する。この際、燃料電池スタックＦＳは、変位吸収部材１０のばね機能部１０Ｂの向きと、セパレータ２の凹凸形状の連続方向とを合わせて配置すると共に、ばね機能部１０Ｂが接触するセパレータ２の凸部２Ａの上面が平面である。

これにより、燃料電池スタックＦＳでは、変位吸収部材１０の厚さ方向の変形に伴って、図１（Ｂ）に示す如くばね機能部１０Ｂの自由端とセパレータ２との接触部分が移動しても、ばね機能部１０Ｂの自由端が、常に凸部２Ａの上面に接触して、凹部２Ｂに落ち込むことがないので、変位吸収部材１０の変位吸収機能を充分に発揮させることができる。しかも、ばね機能部１０Ｂの自由端とセパレータ２の凸部２Ａとが面接触しているので、セパレータ２と変位吸収部材１０との間の接触抵抗を低減することができる。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、積層した単セルＣ同士の間に冷却液を流通させる構造を有すると共に、単セルＣ間の変位吸収機能を良好に維持しつつ小型化を実現することができる。

また、燃料電池スタックＦＳは、流通空間Ｆにおいて、変位吸収部材１０が、各ばね機能部１０Ｂの自由端を冷却液の流通方向下流側に向けた状態にして配置してあるので、冷却液が流れやすくなり、冷却液の圧力損失を低減することができる。

さらに、燃料電池スタックＦＳは、流通空間Ｆにおける冷却液の流通方向（矢印Ａ方向）と、ガス流路３，３におけるガスの流通方向（矢印Ａ，Ｂ方向）とが同一方向であり、とくに、冷却液の流通方向（矢印Ａ方向）とアノードガスの流通方向（矢印Ｂ方向）とを同一方向にしたので、膜電極接合体１の反応面の温度制御、すなわち反応面のガス流れ方向の温度場の制御を容易にすることができる。

図３〜図６は、本発明の燃料電池スタックの他の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図３（Ａ）に示す燃料電池スタックの変位吸収部材１０は、ばね機能部１０Ｂの自由端の幅Ｗａが、同ばね機能部１０Ｂが接触するセパレータ２の凸部２Ａの幅Ｗｂよりも大きいものとなっている。

上記構成を備えた燃料電池スタックは、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、ばね機能部１０Ｂの自由端が、凸部２Ａの上面に必ず接触することになり、凹部２Ｂへの落ち込みが阻止され、しかも、電気的な接触面積を大きく得ることができる。

図３（Ｂ）に示す燃料電池スタックの変位吸収部材１０は、ばね機能部１０Ｂの自由端の幅Ｗａが、同ばね機能部１０Ｂが接触するセパレータ２の凹部２Ｂの幅Ｗｃよりも大きいものとなっている。

上記構成を備えた燃料電池スタックにあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、ばね機能部１０Ｂの自由端が、凸部２Ａの上面に必ず接触することになり、凹部２Ｂへの落ち込みが阻止され、しかも、電気的な接触面積を大きく得ることができる。

図４（Ａ）に示す燃料電池スタックの変位吸収部材１０は、ばね機能部１０Ｂの自由端が、同ばね機能部１０Ｂが接触するセパレータ２の複数の凸部２Ａに接触している。図示例では、隣接する二つの凸部２Ａ，２Ａにばね機能部１０Ｂの自由端が接触している。

上記構成を備えた燃料電池スタックは、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、冷却液の圧力損失を低減することができる。つまり、燃料電池スタックでは、先述したように、各ばね機能部１０Ｂの自由端を冷却液の流通方向下流側に向けた状態にして、冷却液を流し易くしているが、冷却液の流通にばね機能部１０Ｂが干渉すること自体は避けられない。

そこで、燃料電池スタックでは、セパレータ２の複数の凸部２Ａにばね機能部１０Ｂの自由端を接触させることで、ばね機能部１０Ｂの配置部分にセパレータ２の凹部２Ｂによる流路を確保する。すなわち、ばね機能部１０Ｂが接触する複数の凸部２Ａ，２Ａ間の凹部２Ｂを、同ばね機能部１０Ｂの配置部分の流路として確保する。これにより、燃料電池スタックは、ばね機能部１０Ｂの配置部分に冷却液を分配して、同配置部分での流通性を高め、全体として冷却液の圧力損失を低減することができる。

図４（Ｂ）に示す燃料電池スタックの変位吸収部材１０は、図２（Ａ）に基づいて先述したように、変位吸収部材１０の基板１０Ａが、各ばね機能部１０Ｂの下側に開口部１０Ｃを有している。そして、燃料電池スタックは、基板１０Ａが接触するセパレータ２の凹部２Ｂと前記開口部１０Ｃとが連通したものとなっている。

上記の燃料電池スタックは、基板１０Ａが接触するセパレータ２側において、ばね機能部１０Ｂの配置部分に凹部２Ｂ及び開口部１０Ｃによる流路を確保する。これにより、燃料電池スタックは、ばね機能部１０Ｂの配置部分に冷却液を分配して、同配置部分での流通性を高め、全体として冷却液の圧力損失を低減することができる。

なお、図４（Ａ）（Ｂ）に示す実施形態を組合わせれば、変位吸収部材１０の上下両側のセパレータ２，２において、上下の凹部２Ｂ，２Ｂ及び開口部１０Ｃにより流路が確保され、ばね機能部１０Ｂの配置部分での流通性をより一層高めることができる。

図５に示す燃料電池スタックの変位吸収部材１０は、基板１０Ａに、セパレータ２の凹凸形状の連続方向（図中で上方向）とこれに交差する幅方向（図中で左右方向）に各ばね機能部１０Ｂを配列すると共に、幅方向に隣接するばね機能部１０Ｂ同士が、凹凸形状の連続方向にオフセット（矢印ＯＳ）してある。図示例のオフセット量は、おおよそばね機能部１０Ｂ一つ分である。セパレータ２の凹凸形状の連続方向は、冷却液の流通方向と同じである。

上記の燃料電池スタックでは、面内方向においては、図中の矢印で示すように、冷却液がばね機能部１０Ｂを左右に迂回して流通することとなり、冷却液の淀む点が少なくなるので、冷却液の圧力損失を低減することができる。また、上記の燃料電池スタックは、例えば、図４に示す変位吸収部材１０及びセパレータ２の構成と組合わせれば、面内方向及び厚さ方向の流通性を低減して、全体として冷却液の圧力損失を大幅に低減し得るものとなる。

図６（Ａ）（Ｂ）に示す燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態では、基板１０Ａの片側に多数のばね機能部１０Ｂを配列した変位吸収部材１０を採用したのに対して、断面波形状の変位吸収部材２０を採用している。この変位吸収部材２０にあっても、厚さ方向の変形に伴ってセパレータ２との接触部分が面内方向（波形の進行方向）に移動する。なお、図６（Ｂ）には、変位吸収部材２０の波形状のみを示している。

上記の燃料電池スタックＦＳは、隣接する単セルＣ同士の間に、冷却液の流通空間Ｆを形成すると共に、この流通空間Ｆに上記の変位吸収部材２０を備え、セパレータ２が、断面凹凸形状を冷却液の流通方向（図１Ａで左右方向）に連続的に有している。そして、変位吸収部材２０は、接触部分の移動方向がセパレータ２の凹凸形状の連続方向、すなわち図６（Ａ）に示す如く波形の進行方向がセパレータ２の凹凸形状の連続方向となるように配置してあり、上下のセパレータ２の凸部２Ａに夫々接触している。

上記の変位吸収部材２０を備えた燃料電池スタックにあっても、先の実施形態と同様に、積層した単セルＣ同士の間に冷却液を流通させる構造を有すると共に、単セルＣ間の変位吸収機能を良好に維持しつつ小型化を実現することができる。

なお、本発明に係る燃料電池スタックは、その構成が上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。

Ｃ 単セル
Ｆ 流通領域
ＦＳ 燃料電池スタック
１ 膜電極接合体
２ セパレータ
２Ａ 凸部
２Ｂ 凹部
１０ 変位吸収部材
１０Ａ 基板
１０Ｂ ばね機能部
１０Ｃ 開口部
２０ 変位吸収部材

Claims (11)

1. 膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して成る単セルを複数枚積層して構成される燃料電池スタックであって、
   隣接する単セル同士の間に、冷却液の流通空間を形成すると共に、この流通空間に配置して単セル間の変位を吸収する板状の変位吸収部材を備え、
   セパレータが、断面凹凸形状を冷却液の流通方向に連続的に有しており、
   板状の変位吸収部材が、厚さ方向の変形に伴ってセパレータとの接触部分が面内方向に移動する部材であって、接触部分の移動方向がセパレータの凹凸形状の連続方向となるように配置してあると共に、セパレータの凸部に接触していることを特徴とする燃料電池スタック。
   
2. セパレータの凸部は、上面が平面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。
3. 前記変位吸収部材が、相対向するセパレータのうちの一方に接触する基板の片面に、他方に接触する多数のばね機能部を配列した構造を有すると共に、ばね機能部が、基端を基板への固定端とし且つ先端を自由端とした片持ち梁構造であって、
   ばね機能部の自由端の幅が、同ばね機能部が接触するセパレータの凸部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記ばね機能部の自由端の幅が、同ばね機能部が接触するセパレータの凹部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記ばね機能部の自由端が、同ばね機能部が接触するセパレータの複数の凸部に接触していることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記変位吸収部材の基板が、各ばね機能部の下側に開口部を有しており、基板が接触するセパレータの凹部と前記開口部とが連通していることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記変位吸収部材が、基板に、セパレータの凹凸形状の連続方向とこれに交差する幅方向に各ばね機能部を配列すると共に、幅方向に隣接するばね機能部同士が、凹凸形状の連続方向にオフセットしてあることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記変位吸収部材の各ばね機能部のうちの少なくとも一つが、自由端を冷却液の流通方向下流側に向けた状態で配置してあることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
9. 流通空間における冷却液の流通方向と、膜電極接合体とセパレータの間に形成したガス流路におけるガスの流通方向とが、同一方向であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
10. 前記ガスが、アノードガスであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. セパレータが、表裏反転形状を有していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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