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JP6066279B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、セルユニットを積層して成る燃料電池スタックに関するものである。
この種のセルユニットとしては、燃料電池単セルとして特許文献1に記載されたものがある。特許文献1に記載の燃料電池単セルは、発電に寄与する領域に凹凸形状からなる燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した膜電極接合体と、この膜電極接合体の一面に配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第1のセパレータと、膜電極接合体の他面に配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第2のセパレータとを備えている。
また、上記の燃料電池単セルは、第1のセパレータ又は第2のセパレータの何れかに接して設けられ且つ冷媒を流通させる冷媒流路(冷却流体流通路)を形成した波板形状の冷却板と、冷却板の上に配置される第3のセパレータとを備えている。
特許4432518号公報
しかしながら、上記したような従来の燃料電池単セルでは、本発明における変形吸収部材に相当する冷却板に作用する荷重点が、隣り合う燃料電池単セル間で対向していないときには、隣り合う燃料電池単セルの冷却板に作用する荷重点の位置によって、燃料電池単セル全体に曲げモーメントが発生し、セパレータの応力が増大して燃料電池単セルを損傷する虞があった。
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、冷却流体流通路に変位吸収部材を配設したときにも、セルユニットに曲げモーメントが生じるのを防止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。
本発明の燃料電池スタックは、二つのセパレータ間に膜電極接合体を配設した複数のセルユニットを積層すると共に、隣接するセルユニット間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路を夫々形成した構造を有している。
そして、燃料電池スタックは、冷却流体流通路に、セルユニットの積層方向における変位を弾性により吸収する複数の変位吸収突起を有する変位吸収部材を設けると共に、前記変位吸収部材が、セルユニットの両側(アノード側及びカソード側)に配置してあり、前記セルユニットの一方側における変位吸収部材の変位吸収突起と、他方側における変位吸収部材の変位吸収突起とが、セルユニットの積層方向に重なる配置である構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。


本発明の燃料電池スタックによれば、冷却流体流通路に変位吸収部材を配設したときにも、セルユニットに曲げモーメントが生じるのを防止することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図である。 同上の燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。 同上の燃料電池スタックの一部をなす一例に係るセルユニットの平面図である。 図3に示すセルユニットを複数積み重ねるとともに、そのI‐I線に沿う部分拡大断面図である。 セルユニットの上下に区画形成された冷却流体流通路にそれぞれ配置する変位吸収部材の斜視図である。 図5に示す変位吸収部材を配設した3つのセルユニットをβ方向からみた部分断面図(A)、及びその変位吸収部材を他の配設例を示す部分断面図(B)である。 セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第二の実施形態に係る変位吸収部材の平面図(A)、及びセルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した他例に係る変位吸収部材の平面図(B)である。 セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第三の実施形態に係る変位吸収部材の平面図(A)、及びセルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第三の他例に係る変位吸収部材の平面図(B)である。 同上の第三の実施形態に係る変位吸収部材を冷却流体流通路に配設した状態を示す部分拡大断面図である。 セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第四の実施形態に係る変位吸収部材の平面図(A)、及びセルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第四の他例に係る変位吸収部材の平面図(B)である。 第五の実施形態に係る変位吸収部材の平面図(A)、及びその部分拡大図(B)である。 同上の第五の実施形態に係る変位吸収部材を冷却流体流通路に配設した状態を示す部分拡大断面図である。 図3に示すI‐I線に相当する断面における部分断面図である。 セルユニットのアノードセパレータと、そのセルユニットに隣り合う他のセルユニットのカソードセパレータとの間に区画形成される冷却流体流通路に配置した変位吸収部材の斜視図(A)、セルユニットのカソードセパレータと、その一のセルユニットに隣り合う他のセルユニットのアノードセパレータとの間に区画形成される冷却流体流通路に配置する変位吸収部材の斜視図(B)である。 二つの冷却流体流通路にそれぞれ配置した変位吸収部材に作用する荷重を説明するための斜視図である。
〈第一実施形態〉
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図であり、図2は、その燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。また、図3は、その燃料電池スタックを構成するセルユニットの平面図であり、図4は、図3に示すセルユニットを複数積み重ねた状態において、そのI‐I線に沿う部分拡大断面図である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック10は、例えば、車両に搭載される固体高分子電解質型のものである。図1及び図2に示す燃料電池スタック10は、一対のエンドプレート11,12の間に、集電板13,14及びセルユニットA1を複数積層し、且つ、両エンドプレート11,12により、複数のセルユニットA1同士を挟圧するようにして締結板15,16及び補強板17,17によって拘束したケース一体型構造のものである。なお、図2中において、符号18で示すものはボルトであり、符号19で示すものはスペーサである。
セルユニットA1は、膜電極接合体30の両側に、それぞれ互いに異なる発電用ガスを流通させるためのガス流通路S1,S2(図4参照)を区画形成するようにしてアノード,カソードセパレータ40,41を配設したものである。発電用ガスは、水素含有ガス及び酸素含有ガスである。
膜電極接合体30は、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであり、例えば固体高分子からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極(いずれも図示しない)とで挟んだ構造を有しており、樹脂製のフレーム20(図2参照)の中央部分に配置してある。
上記の膜電極接合体30は、図4に示すガス流通路S1に流通する水素含有ガスをアノード電極に供給すると共に、同図に示すガス流通路S2に流通する酸素含有ガスをカソード電極に供給することにより発電する。
図3に示すように、セルユニットA1の両側方には、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Hが夫々形成してある。一側方のマニホールド部Hは、マニホールド孔H1〜H3からなる。各マニホールド孔H1〜H3は、酸素含有ガス供給用(H1)、冷却流体供給用(H2)及び水素含有ガス供給用(H3)であり、図1、図2及び図4に示す積層方向αに夫々の流路を形成する。この実施形態における冷却流体は水であるが、これに限るものではなく、他の冷却用媒体を用いることもできる。
他側方のマニホールド部Hは、マニホールド孔H4〜H6からなる。各マニホールド孔H4〜H6は、水素含有ガス排出用(H4)、冷却流体排出用(H5)及び酸素含有ガス排出用(H6)であり、図1及び図2に示す積層方向αに夫々の流通路を形成する。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。
フレーム20は、例えば射出成形によって膜電極接合体30と一体化してあり、この実施形態においては、積層方向αから見た正面視において横長方形にしている。アノード及びカソードのセパレータ40,41は、夫々ステンレス等の金属板を波形にプレス成形したものであり、フレーム20とほぼ同じ形状で且つほぼ同じ大きさに形成してある。これらのセパレータ40,41は、波形状の断面を長辺方向に連続的に有し、波形の谷部により発電用ガスや冷却流体の流通路を形成する。
上記の構成を備えたセルユニットA1では、フレーム20の一方側から他方側又は他方側から一方側に向けて水素含有ガス、酸素含有ガス及び冷却流体が流通する。すなわち、発電用ガス及び冷却流体は、セルユニットA1の長辺方向が流通方向βである。
上記の膜電極接合体30及びアノード及びカソードのセパレータ40,41は、これらの周縁にシーリングを施して液密的に接合することによりセルユニットA1を構成している。図4に示すように、互いに積層した三つのセルユニットA1,A1,A1のうち、中央のセルユニットA1のアノード及びカソードのセパレータ40,41と図示上側のセルユニットA1のカソードセパレータ41、図示下側のセルユニットA1のアノードセパレータ40同士を液密的に接合し、それらの間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路S3a,S3bを形成している。
また、フレーム20及びアノード及びカソードセパレータ40,41の夫々のマニホールドHが互いに連通して、セルユニットA1の積層方向αにおける発電用ガス連通孔及び冷却流体連通孔を形成している。
図5は、セルユニットの上下に区画形成された冷却流体流通路に夫々配置する変位吸収部材の斜視図であり、図6(A)は、図5に示す変位吸収部材を配設した3つのセルユニットをβ方向からみた部分断面図であり、図6(B)は、その変位吸収部材の他の例を示す部分断面図である。
この実施形態の燃料電池スタック10は、冷却流体流通路S3a,S3bに、セルユニットA1の積層方向αにおける変位を吸収する複数の変位吸収突起50を有する変位吸収部材Ca,Cbを設けると共に、変位吸収部材Ca,Cbの変位吸収突起50が、セルユニットA1に生じる曲げモーメントを相殺するように配設してある。
この実施形態の変位吸収部材Ca,Cbは、互いに同一の構造のものであり、冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Cbを、冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Caに対し、冷却流体の流通方向βにおいて180度回転させた状態で配置している。このような部品の共通化により、コストの低減を図っているが、これに限るものではない。以下においては、一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Caについて説明し、他方の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cbについては、同一の符号を付して説明を省略する。
変位吸収部材Caは、図4〜6に示すように、導電性の金属板からなる基板51に複数の変位吸収突起50を一体成形したものである。変位吸収突起50は、流通方向βに一定間隔で配置して突起列とし、流通方向βに直交する方向γに5つの突起列C1〜C5を一定間隔で配置している。このとき、各変位吸収突起50は、図4に示すように、セパレータ40,41の波形の山部に対応する間隔で配置してあると共に、図6に示すように、基端側加重点P1及び先端側荷重点P2が流通方向βに整列している。
なお、本実施形態においては、説明の簡略化のために、5つの突起列C1〜C5を例示しているが、実際には、さらに多数の変位吸収突起50を縦横に配置する。
変位吸収突起50は、冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βと平行な平面において同一方向に傾斜しており、且つ互いに同じ形状で同じ大きさの板状体にして形成してある。
この変位吸収突起50は、先端部を自由端とし且つ基端部を固定端とした片持ち梁構造であって、流通方向βから見たときに横長方形を成しており、基板51から切り起こすことにより一体に形成してある。
また、変位吸収突起50は、基板51から所要の角度で傾斜している連結片50Aと、この連結片50Aよりも浅い角度に傾斜している接触片50Bとを形成したものであり、自由端である接触片50Bがカソードセパレータ41に弾性的に当接する。この変位吸収突起50は、鋭角を成す板面部を流通方向βの下流側に向けて配列している。
そして、燃料電池スタック10は、セルユニットA1のアノードセパレータ側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Caと、同セルユニットA1のカソードセパレータ側の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cbとを、互いの各変位吸収突起50の荷重点が、セルユニットA1の積層方向αにおいて重なり合うように配置してある。
とくに、この実施形態では、セルユニットA1のアノードセパレータ40側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Caの変位吸収突起50に作用する基端側荷重点P1と、同セルユニットA1のカソードセパレータ41側の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cbの変位吸収突起50に作用する先端側荷重点P2とが、セルユニットA1の積層方向αにおいて互いに重なり合うように配置してある。
上記した変位吸収突起50の基端側荷重点P1は、変位吸収突起50の基端部に作用する荷重を示すものである。また、変位吸収突起50の先端側荷重点P2は、変位吸収突起50の先端部に作用する荷重を示すものである。なお、上記した「荷重点」という文言は、冷却流体の流通方向βに直交する直交方向γから見たときの表現であって、流通方向βから見たときは「荷重線」となるものであるが、それらは同じ意味である。
変位吸収突起50を上記のように配列することにより、一方の変位吸収部材Caの変位吸収突起50の基端側荷重点P1に作用する荷重の方向と、他方の変位吸収部材Cbの変位吸収突起50の先端側荷重点P2に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致しているので、その間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントが生じることがない。
上記した変位吸収突起50は、打ち抜き加工等の切断加工や、エッチング加工等のように材料の除去を伴う加工により、縁取りした部分を折り曲げることで微細構造に形成することもできる。
図6(B)に示す燃料電池スタック10は、セルユニットA1のアノードセパレータ40側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Caを、上下逆向きにして配設したものである。この場合にも、一方の変位吸収部材Caの変位吸収突起50の基端側荷重点P1に作用する荷重の方向と、他方の変位吸収部材Cbの変位吸収突起50の基端側荷重点P1に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致する。また、一方の変位吸収部材Caの変位吸収突起50の先端側荷重点P2に作用する荷重の方向と、他方の変位吸収部材Cbの変位吸収突起50の先端側荷重点P2に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致する。これにより、両変位吸収部材Ca,Cbの間に介在する各セルユニットA1に曲げモーメントが生じることがない。
〈第二実施形態〉
図7(A)は、セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第二の実施形態に係る変位吸収部材の平面図であり、(B)は、セルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した他例に係る変位吸収部材の平面図である。第二の実施形態に係る変位吸収部材Ccは、突起列C1〜C6の配列形態が相違している。各突起列C1〜C6は、流通方向βにおいて夫々5つの変位吸収突起50a〜50eを一列に配置したものである。
この変位吸収部材Ccは、各突起列C1〜C6の中央に配置した変位吸収突起50cの基端側荷重点P1及び先端側荷重点P2を二分する位置を、流通方向βに直交する方向γにおいて通過する中心線O1から、流通方向βの上流側及び下流側における各変位吸収突起50a〜50eの各基端側荷重点P1及び先端側荷重点P2までの寸法を夫々等しくしたものである。なお、荷重点P1,P2は、一部の変位吸収突起50に図示したが、当然全ての変位吸収突起50に存在する。
具体的には、中心線O1から変位吸収突起50cの基端側荷重点P1の寸法をL1としたとき、その変位吸収突起50cの先端側荷重点P2の寸法もL1としている。変位吸収突起50bと変位吸収突起50dとの関係においては、中心線O1から変位吸収突起50bの先端側荷重点P2までの寸法をL2としたとき、その中心線O1から変位吸収突起50dの基端側荷重点P1までの寸法をL2としている。また、中心線O1から変位吸収突起50bの基端側荷重点P1までの寸法をL3としたとき、その中心線O1から変位吸収突起50dの先端側荷重点P2までの寸法をL3としている。
変位吸収突起50aと変位吸収突起50eとの関係においては、中心線O1から変位吸収突起50aの先端側荷重点P2までの寸法をL4としたとき、その中心線O1から変位吸収突起50eの基端側荷重点P1までの寸法をL4としている。また、中心線O1から変位吸収突起50aの基端側荷重点P1までの寸法をL5としたとき、その中心線O1から変位吸収突起50eの先端側荷重点P2までの寸法をL5としている。
上記した第二の実施形態に係る変位吸収部材Ccは、図7(A)に示す向きにして冷却流体流通路S3aに配置する一方、その変位吸収部材Ccを、図7(B)に示すように、面内方向に180度回転させた状態にして冷却流体流通路S3bに配置する。
これにより、一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Ccの変位吸収突起50の基端側荷重点P1に作用する荷重の方向と、他方の冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Ccの変位吸収突起50の先端側荷重点P2に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致し、これら間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントが生じることがない。また、一種類の変位吸収部材Ccを用いればよいので、製造コストの低減を図ることができる。
〈第三実施形態〉
図8(A)は、セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第三の他例に係る変位吸収部材の平面図であり、(B)は、セルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第三の実施形態に係る変位吸収部材の平面図である。図9は、第三の実施形態に係る変位吸収部材を冷却流体流通路に配設した状態を示す部分拡大断面図である。
第三の実施形態に係る変位吸収部材Cdは、突起列C1〜C5の配列形態が上述したものと相違している。突起列C1〜C5は、流通方向βにおいて夫々5つの変位吸収突起50a〜50eを配列したものである。
図示の変位吸収部材Cdは、各突起列C1〜C5の中央に配列した突起列C3を、流通方向βと平行な中心線O2上に位置させているとともに、他の突起列C2,C1,C4,C5を互いに等間隔W1,W2(図9参照)に配置している。
図8(A)において上側となる第1の突起列C1を形成する各変位吸収突起50a〜50eは、上記した冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βと平行な平面において同一方向に傾斜し、且つ互いに同じ形状で同じ大吉舎の板状体に形成してある。これらの変位吸収突起50a〜50eは、鋭角を成す板面部を流通方向βの下流側に向けて配列してある。
第2の突起列C2を形成する変位吸収突起50a〜50eは、冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βと平行な平面において、第1の突起列C1のものとは逆方向に傾斜し、且つ互いに同じ形状で同じ大きさの板状体に形成してある。すなわち、これらの変位吸収突起50a〜50eは、鋭角を成す板面部を流通方向βの上流側に向けて配列している。
この実施形態においては、奇数列C1,C3,C5の変位吸収突起50を流通方向βの下流側に向けて傾斜させ、偶数列C2,C4の変位吸収突起50を流通方向βの上流側に向けて傾斜させている。
また、各列の隣り合う変位吸収突起50a〜50e,50a〜50eの各基端側荷重点P1及び先端側荷重点P2は、流通方向βに直交する方向γにおいて一直線上に配列してある。
上記した第三の実施形態に係る変位吸収部材Cdは、図8(A)に示す向きにして冷却流体流通路S3aに配置する一方、同一構成の別の変位吸収部材Cdを、図(B)に示すように、面内方向に180度回転させた状態にして冷却流体流通路S3bに配置する。
これにより、一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Cdの変位吸収突起50の基端側荷重点P1に作用する荷重の方向と、他方の冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Ccの変位吸収突起50の先端側荷重点P2に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致し、それらの間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントが生じることがない。また、奇数列C1,C3,C5と偶数列C2,C4とで変位吸収突起50の傾斜方向を逆向きにすることで、流通方向βにおける荷重の偏りを抑制することができる。
〈第四実施形態〉
図10(A)は、セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第四の実施形態に係る変位吸収部材の平面図であり、(B)は、セルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配置した第四の実施形態に係る変位吸収部材の平面図である。
第四の実施形態に係る変位吸収部材Ceは、突起列C1〜C6の配列形態が上記したものと相違している。突起列C1〜C6は、流通方向βにおいて夫々5つの変位吸収突起50a〜50eを一列に配置したものである。
この変位吸収部材Ceは、流通方向βに平行な中心線O2の両側に、他の突起列C3,C2,C1、C4,C5,C6を互いに等間隔W1,W2,W3にして配列している。
図10(A)において上側となる第1の突起列C1を形成する変位吸収突起50a〜50eは、一方の冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βと平行な平面において同一方向に傾斜し、且つ、互いに同じ形状で同じ大きさの板状体に形成してある。これらの変位吸収突起50a〜50eは、鋭角を成す板面部を流通方向βの上流側に向けて配置してある。
第2の突起列C2をなす変位吸収突起50a〜50eは、一方の冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βと平行な平面において、上記突起列C1のものとは逆方向に傾斜し、且つ、互いに同じ形状で同じ大きさの板状体に形成してある。これらの変位吸収突起50a〜50eは、鋭角を成す板面部を流通方向βの下流側に向けて配置してある。
この実施形態においては、奇数列C1,C3,C5の変位吸収突起50は、鋭角を成す板面部を流通方向βの上流側に向けて傾斜させ、偶数列C2,C4,C6の変位吸収突起50は、鋭角を成す板面部を流通方向βの下流側に向けて傾斜させている。
また、各列の隣り合う変位吸収突起50a〜50e,50a〜50eの各基端側荷重点P1及び先端側荷重点P2は、直交方向γにおいて一直線上に配列している。
上記した第四の実施形態に係る変位吸収部材Ceは、図10(A)に示す向きにして一方の冷却流体流通路に配置する一方、同一構成の別の変位吸収部材Ceを、図10(B)に示すように、面内方向に180度回転させた状態にして、他方の冷却流体流通路に配置する。
これにより、上述したように、一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Ceの変位吸収突起50a〜50eの基端側荷重点P1に作用する荷重の方向と、他方の冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Ceの変位吸収突起50a〜50eの先端側荷重点P2に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致し、これらの間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントが生じないことは、上記したものと同様である。
〈第五実施形態〉
図11(A)は、第五の実施形態に係る変位吸収部材の平面図であり、(B)は、その部分拡大図である。図12は、その第五の実施形態に係る変位吸収部材を冷却流体流通路に配設した状態を示す部分拡大断面図である。
第五の実施形態に係る変位吸収部材Cfは、導電性の金属板からなる基板51Aに突起列C1〜C5を互いに独立して、且つ一体成形したものである。各突起列C1〜C5は、互いに同じ一定幅にした帯状体に形成してあると共に、流通方向βにおいて、4つの上側荷重点P2a〜dと4つの下側荷重点P1a〜dとを有する例えば正弦波形に凹凸形成したものである。
この変位吸収部材Cfは、各突起列C1〜C5の中央に配置した上側荷重点P2cと下側荷重点P1bとを二分する位置において、上記した直交方向γと並行な中心線O1から、流通方向βの上流側及び下流側における各上側荷重点P2a〜dと下側荷重点P1a〜dまでの各寸法L1〜L4をそれぞれ等しくしている。この実施形態においては、上側荷重点P2a〜dが上記した先端側荷重点に相当し、また、下側荷重点P1a〜dが基端側荷重点に夫々相当する。
具体的には、中心線O1から上側荷重点P2cと、その中心線O1から下側荷重点P1bとの寸法をL1としている。同様にして、中心線O1から上側荷重点P2bまでの寸法をL2としたとき、その中心線O1から下側荷重点P1cまでの寸法をL2としている。また、中心線O1から下側荷重点P1aまでの寸法をL3としたとき、その中心線O1から上側荷重点P2dまでの寸法をL3としている。同様にして、中心線O1から上側荷重点P2aまでの寸法をL4としたとき、その中心線O1から下側荷重点P1dまでの寸法をL4としている。
換言すると、上記各突起列C1〜C5を形成する上側荷重点P2a〜d及び下側荷重点P1a〜dは、流通方向βに沿う一定間隔にし、且つ突起列C1〜C5をなすようにして配列してある。各変位吸収突起50同士の基端側荷重点P1及び先端側荷重点P2同士、図6(A)に示すように、流通方向βにおいて一列に整列させている。また、突起列C1〜C5は、流通方向βと直交する方向γにおいて互いに一定間隔をおいて配列してある。
上記した第五の実施形態に係る変位吸収部材Cfは、図12に示すように、一方の冷却流体流通路に配置する一方、その変位吸収部材Cfを、面内方向に180度回転させた状態にして他方の冷却流体流通路に配置する。
これにより、一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Cfの下側荷重点P1a〜dに作用する荷重の方向と、冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Cfの上側荷重点P2a〜dに作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致し、これらの間に介在する各セルユニットA1に曲げモーメントが生じることがない。
〈第六実施形態〉
次に、図13〜15を参照して、第六の実施形態に係る変位吸収部材について説明する。図13は、図3に示すI‐I線に相当する断面における部分断面図であり、図14(A)は、セルユニットのアノードセパレータと、そのセルユニットに隣り合う他のセルユニットのカソードセパレータとの間に区画形成される冷却流体流通路に配置した変位吸収部材の斜視図であり、(B)は、一のセルユニットのカソードセパレータと、その一のセルユニットに隣り合う他のセルユニットのアノードセパレータとの間に区画形成される冷却流体流通路に配置する変位吸収部材の斜視図である。
また、図15は、二つの冷却流体流通路に夫々配置した変位吸収部材に作用する荷重を説明するための斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図13に示すように、互いに積層した三つのセルユニットA1,A1,A1のうち、中央のセルユニットA1のアノード,カソードセパレータ40,41と、図示上側のセルユニットA1のカソードセパレータ41´、図示下側のセルユニットA1のアノードセパレータ40´同士を液密的に接合し、それらの間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路S3a,S3bを形成している。なお、以下に示す二つの変位吸収部材Cg,Cgは、互いに同一のものを採用しているが、これに限るものではない。
この実施形態においては、一方のセルユニットA1のアノードセパレータ40側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Cgと、その一方のセルユニットA1のカソードセパレータ41´側の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cgとを、これらの各変位吸収突起50,50同士を互いに対向させ、且つ、互いに対向する変位吸収突起50,50に作用する荷重の方向が向き合うように配置している。なお、変位吸収突起50,50に作用する荷重は、セルユニットA1の積層方向αに作用する荷重である。
変位吸収部材Cgは、上記したように互いに同一構造になっているので、以下には、一方の冷却流体流通路S3aに配置したものについて説明し、他方の冷却流体流通路S3bに配設したものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
変位吸収部材Cgは、図14(A)に示すように、上記した一方の冷却流体流通路S3aを流通する冷却流体の流通方向βに沿う突起列C1〜C5を、その流通方向βと直交する直交方向γにおいて互いに所定の間隔で複数列設してなるものである。なお、本実施形態においては、説明の簡略化のために、C1〜C5で示す5つの突起列を例示している。
各突起列C1〜C5は、直交方向γにおいて互いに一定の間隔で配列された複数の変位吸収突起50からなり、それらは導電性の金属板からなる基板51に一体成形してある。「一定の間隔」は、それら変位吸収突起50,50の幅W1(図13参照)以上にしているが、これに限るものではない。
図示の第1、第3及び第5の突起列C1,C3,C5を形成する変位吸収突起50は、冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βと直交する直交方向γにおいて同一方向に傾斜し、且つ、互いに同じ形状で同じ大きさの板状体に形成してある。
この変位吸収突起50は、流通方向βに直交する方向γから見たときに横長方形であり、且つ、流通方向β方向から見たときに左右逆向きに傾斜しており、基板51から切り起こすことにより一体成形してある。
これらの変位吸収突起50は、基板51から所要の角度で傾斜している連結片50Aと、この連結片50Aよりも浅い角度に傾斜している接触片50Bとからなるものであり、自由端である接触片50bBカソードセパレータ41´に弾性的に当接する。変位吸収突起50は、その板厚面を流通方向βに直角に向けて配列している。
上記の変位吸収部材Cgは、図13及び図15に示すように、基板51をアノート側セパレータ40に当接させ、且つ、変位吸収突起50の接触片50bをカソードセパレータ41´に弾性的に接触させた状態にして、冷却流体流通路S3aに配設してある。
他方、第2及び第4の突起列C2,C4を形成する変位吸収突起50は、冷却流体流通路S3a内を流通する冷却流体の流通方向βにおいて、先の突起列C1,C3,C5を形成する変位吸収突起50とは逆方向に傾斜し、且つ、互いに同じ形状で同じ大きさの板状体に形成してある。これらの変位吸収突起50は、直交方向γから見たときに横長方形であり、基板51から切り起こすことにより一体成形してある。変位吸収突起50は、流通方向βに直角に向けて配列していることは、上記したものと同じである。
上記した突起列C1〜C5は、流通方向βに直交する方向γにおいて、中心線O2を中心とする中心線対称にして配置してある。各突起列C1〜C5の中央に配置した第3の突起列C3を、直交方向γに平行な中心線O2上に位置させていると共に、他の突起列C2,C1、C4,C5を互いに等間隔W1,W2に配置している。
他方の冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Cgは、上記一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Cgと同一のものであるが、冷却流体の流通方向βにおいて180度回転させた状態で配置してある。
換言すると、図14(B)に示すように、セルユニットA1のアノード側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Cgと、他方の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cgの各変位吸収突起50,50同士を互いに対向させ、且つ互いに対向する変位吸収突起50,50同士の各セパレータ41´との接触部位が冷却流体の流通方向βにおいて逆向きとなるように配置している。
さらには、一方の冷却流体流通路S3aに配置した変位吸収部材Cgの変位吸収突起50の基端側荷重点P1に作用する荷重の方向と、冷却流体流通路S3bに配置した変位吸収部材Ccの変位吸収突起50の先端側荷重点P2に作用する荷重の方向とが、互いに向き合って積層方向αに一致し、それらの間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントあ生じることがない。
以上の構成により、図15に示すように、変位吸収部材Caの変位吸収突起50の連結片50aの基部50a´に下向きに作用する荷重Faの方向と、冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cbの変位吸収突起50の接触片50bに上向きに作用する荷重Fbの方向とが、積層方向αに一致する。また、変位吸収部材Caの変位吸収突起50の接触片50bに上向きに作用する荷重の方向と、変位吸収部材Cbの変位吸収突起50の連結片50aの基部50a´に下向きに作用する荷重の方向とが、積層方向αに一致する。
上記各実施形態の燃料電池スタック10によれば、次の効果を得ることができる。
すなわち、二つのセパレータ40,41間に膜電極接合体30を配設した複数のセルユニットA1を積層すると共に、隣接するセルユニットA1間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路S3a,S3bを夫々形成した燃料電池スタック10において、冷却流体流通路S3a,S3bに、セルユニットA1の積層方向における変位を吸収する複数の変位吸収突起50を有する変位吸収部材Ca〜Cgを設けると共に、変位吸収部材Ca〜Cgの変位吸収突起50が、セルユニットA1に生じる曲げモーメントを相殺するように配設したことにより、セルユニットA1に曲げモーメントが生じるのを防止し、セルユニットA1の損傷を未然阻止することができる。
また、セルユニットA1のアノードセパレータ側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Caと、同セルユニットA1のカソードセパレータ側の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cbとを、互いの各変位吸収突起50の荷重点が、セルユニットA1の積層方向において重なり合うように配置したことにより、双方の荷重点における荷重の方向が互いに向き合って積層方向αに一致し、その間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントが生じるのを防止することができる。
さらに、セルユニットA1のアノードセパレータ側の冷却流体流通路S3aに配設した変位吸収部材Caの変位吸収突起50の基端部に作用する基端部荷重点P1と、同セルユニットA1のカソードセパレータ側の冷却流体流通路S3bに配設した変位吸収部材Cbの変位吸収突起50の先端部に作用する先端部側荷重点P1とが、セルユニットA1の積層方向において重なり合うように配置したことから、双方の荷重点P1,P2における荷重の方向が互いに向き合って積層方向αに一致し、その間に介在するセルユニットA1に曲げモーメントが生じるのを防止することができる。
さらに、変位吸収部材Ca〜Cgにおける変位吸収突起50の向きや配列を工夫し、とくに、変位吸収突起50を、冷却流体の流通方向βと直交する方向γにおいて中心線対称に配置することにより、互いに同一の変位吸収部材の向きを変えて配置するだけで、上記の効果を得られるため、部品点数を削減することができ、製造コストの低減などを図ることができる。
さらに、変位吸収突起50を互いに逆向きに配置することにより、発生する荷重が逆向きとなり、変位吸収部材全体で曲げモーメントが生じるのを防ぐことができる。さらに、変位吸収突起50が、互いに独立して形成してあるので、周囲に配設されている変位吸収突起の影響を防ぐことができる。さらに、変位吸収突起50が、板状体に形成してあり、その板厚面を流通方向βに直角に向けて配列することにより、上記の曲げモーメントを防止する効果に加えて、冷却流体の流通性をより一層良好にすることができる。
さらに、変位吸収突起50を、基板51から切り起こして一体形成することにより、突起部分を別に形成してから接合するなどの工程が不要で簡便に製造することができる。また、接合部等が無いために、突起を接合により形成する場合に比べて、変位吸収突起50が基板51と接する辺縁部の強度確保がしやすく信頼性の向上を図ることができる。
以上のように、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態で説明した構成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において構成の細部を適宜変更することが可能である。
30 膜電極接合体
40,41 セパレータ
50 変位吸収突起
A1 セルユニット
Ca〜Ch 変位吸収部材
P1 基端部側荷重点
P2 先端部側荷重点
S1,S2 ガス流通路
S3a,S3b 冷却流体流通路
α 積層方向
β 流通方向
γ 流通方向に直交する方向

Claims (13)

  1. 二つのセパレータ間に膜電極接合体を配設した複数のセルユニットを積層すると共に、隣接するセルユニット間に冷却流体を流通させるための冷却流体流通路を夫々形成した燃料電池スタックにおいて、
    冷却流体流通路に、セルユニットの積層方向における変位を弾性により吸収する複数の変位吸収突起を有する変位吸収部材を設けると共に、
    前記変位吸収部材が、セルユニットの両側に配置してあり、
    前記セルユニットの一方側における変位吸収部材の変位吸収突起と、他方側における変位吸収部材の変位吸収突起とが、セルユニットの積層方向に重なる配置であることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配設した変位吸収部材と、同セルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配設した変位吸収部材とを、互いの各変位吸収突起の荷重点が、セルユニットの積層方向において重なり合うように配置して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. セルユニットのアノードセパレータ側の冷却流体流通路に配設した変位吸収部材の変位吸収突起の基端部に作用する基端部荷重点と、同セルユニットのカソードセパレータ側の冷却流体流通路に配設した変位吸収部材の変位吸収突起の先端部に作用する先端部側荷重点とが、セルユニットの積層方向において重なり合うように配置して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。
  4. 複数の変位吸収突起を一列に配置した奇数の突起列を有し、
    各突起列のうちの中央の突起列を、冷却流体の流通方向と並行な中心線上に配置し、その中心線上に配置した突起列の変位吸収突起に作用する荷重点と、その中心線上に配置した突起列に並列している突起列の変位吸収突起に作用する荷重点との距離を等しくしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  5. 奇数の変位吸収突起を一列に配置した奇数の突起列を有し、
    各変位吸収突起のうちの中央の変位吸収突起を、冷却流体の流通方向と直交する中心線上に配列し、その中心線よりも流通方向の上流側に位置する変位吸収突起の先端部に作用する先端側荷重点と、その中心線よりも流通方向の下流側に位置する変位吸収突起の基端部に作用する基端側荷重点とを中心線対称に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  6. 複数の変位吸収突起を一列に配置した奇数の突起列を有し、
    各突起列のうちの中央の突起列を、冷却流体の流通方向と平行な中心線上に配置し、その中心線を挟む両側の突起列を中心線対称に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  7. 複数の変位吸収突起を一列に配置した偶数の突起列を有し、
    冷却流体の流通方向と平行な中心線を挟む両側に、突起列を中心線対称に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
  8. 中心線を挟んで最も内側に位置する二つの突起列の変位吸収突起を互いに同じ向きに傾斜させ、且つ、その外側に位置する突起列の変位吸収突起の傾斜を、一列毎に互いに異なる向きに傾斜させたことを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池スタック。
  9. 隣り合う冷却流体流通路毎に変位吸収突起を上下反転させて配設した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. 変位吸収突起が、互いに交わる向きに傾けて複数配列してあり、
    互いに対向する当該変位吸収突起同士の各セパレータとの接触部位が、冷却流体の流通方向又はこれと直交する方向において逆向きに配置して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。
  11. 変位吸収突起が、互いに独立して形成してあ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。
  12. 変位吸収突起が、板状体として形成してあり、その板厚面を流体流通方向に直角に向けて配列してあることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池スタック。
  13. 冷却流体の流通方向と交差する平面において互いに交わる向きに傾けた変位吸収突起を、その流通方向において交互に配列したことを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
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