JP2006120547A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、セパレータの横ずれを抑制する。
【解決手段】 燃料電池スタック１００は、第１のセパレータ４１と、第２のセパレータ４２とを備える、第１のセパレータ４１は、第２のセパレータ４２と積層される側の積層面の外縁部に、積層方向に突出する凸部４１ｃを有する。第２のセパレータ４２は、第１のセパレータ４１の凸部４１ｃの内側面４１ｃｓに、その外周面４２ｐが当接するように配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電解質層の両面にそれぞれ電極層を配置した複数の積層体を、複数のセパレータを介在させて積層させたスタック構造を有する燃料電池に関するものである。

燃料電池には、所定の電解質膜の両面に、アノードとカソードとを形成した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有するタイプのものがある（以下、このスタック構造を有する燃料電池を「燃料電池スタック」と呼ぶ）。そして、各セパレータには、燃料ガスや、酸化ガスや、冷却水の流路が形成されている。なお、本明細書中において、上記積層体を「膜・電極接合体」と呼び、上記積層体の両面をセパレータで挟持したものを「単セル」と呼ぶ場合もある。

この燃料電池スタックを電気自動車等の移動体に搭載した場合、燃料電池スタックには、あらゆる方向から荷重が加わる可能性がある。そして、燃料電池スタックに、積層方向と垂直な方向（横方向）から荷重が加わった場合、積層されたセパレータが横ずれし、ガス漏れや、冷却水漏れ、あるいは、接触抵抗の増大による電池性能の低下等の不具合が発生する場合がある。従来、これらの不具合を防止するために、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１、２には、各セパレータの接合面に凹部、および、凸部を設け、これらを嵌合させることによって、セパレータの横ずれを防止する技術が記載されている。

特開平１０−２６１４２３号公報 特表平１１−５１４１３２号公報

しかし、上記特許文献１、２に記載された技術では、各セパレータの接合面に凹部、および、凸部を設けるため、セパレータの構成の複雑化を招く。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、セパレータの横ずれを抑制することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
電解質の両面にそれぞれ電極層を配置した複数の積層体を、複数のセパレータを介在させて積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記複数のセパレータは、
少なくとも一方の積層面の外縁部に、積層方向に突出する凸部を有する第１のセパレータと、
前記第１のセパレータの前記凸部の内側面に、その外周面が当接するように配置される第２のセパレータと、
を備えることを要旨とする。

こうすることによって、上記特許文献１、２に記載された技術のように、各セパレータの接合面に、凹部、および、凸部を設ける必要はなく、第１のセパレータに凸部を設ければよいので、比較的簡易にセパレータを構成することができる。また、第１のセパレータと、第２のセパレータとを嵌合させることができるので、比較的簡易な構成で、先に説明したセパレータの横ずれを抑制することができる。

上記燃料電池において、
前記積層体は、前記第１のセパレータ同士、または、前記第２のセパレータ同士によって、挟持されているものとしてもよいし、
前記積層体は、前記第１のセパレータと、前記第２のセパレータとによって、挟持されているものとしてもよい。

前者の構成によれば、隣接する単セル間における第１のセパレータと第２のセパレータとの横ずれを防止することができる。また、後者の構成によれば、さらに、単セル内での各セパレータの横ずれを防止することもできる。

上記いずれかの燃料電池において、
前記第２のセパレータを介在させて隣接する２つの前記第１のセパレータの前記凸部の先端部が、互いに当接するようにしてもよい。

こうすることによって、セパレータ間のシール性を向上させることができる。

さらに、上記燃料電池において、
前記２つの第１のセパレータの各凸部の高さが、互いに異なるようにしてもよい。

こうすることによって、前記２つの第１のセパレータ間に、複数の第２のセパレータが介在する場合であっても、２つの第１のセパレータの各凸部の内側面のいずれかが、全ての第２のセパレータの外周面に当接するようにすることができるので、燃料電池スタックのシール性を、さらに向上させることができる。

上記２つの第１のセパレータの凸部先端部が互いに当接する燃料電池において、
前記２つの第１のセパレータの前記凸部の先端部は、シール材を介して、互いに当接するようにしてもよい。

こうすることによって、セパレータ間のシール性を、さらに向上させることができる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
Ａ２．スタック構造の構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、第１実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した膜・電極接合体の両面を、セパレータ４０によって挟持した構成となっている（図示省略）。電解質としては、固体高分子、固体酸化物等、種々の電解質を適用可能である。セパレータ４０は、第１のセパレータ４１と、第２のセパレータ４２とを含んでおり、各セパレータ４１，４２には、後述するように、アノードに供給すべき水素等の燃料ガスや、カソードに供給すべき空気等の酸化ガスの流路や、冷却水の流路が形成されている。また、各セパレータ４１，４２内にマニホールドを有する内部マニホールド構成をとることも可能である。単セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数のセパレータ４０（第１のセパレータ４１、および、第２のセパレータ４２）、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層されて構成されている。

なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所、例えば、単セル間や、単セル内の膜間における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制するために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。また、燃料電池スタック１００の周囲には、外部からの衝撃や、荷重を緩和するための緩衝材が設けられている。

エンドプレート１０、８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。セパレータ４０は、カーボンや、金属など、導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。なお、以上説明した燃料電池スタック１００の概略構成は、後述するいずれの実施例、および、変形例においても同様である。

Ａ２．スタック構造の構成：
図２は、スタック構造の構成を示す断面図である。図示するように、第１実施例の燃料電池スタック１００では、スタック構造は、膜・電極接合体４３の両面を、第１のセパレータ４１ａ，４１ｂ、あるいは、第２のセパレータ４２ａ，４２ｂによって挟持し、これらを図示したｚ方向（積層方向）に交互に積層させて構成されている。

第１のセパレータ４１ａ，４１ｂの、第２のセパレータ４２と積層される側の積層面の外縁部には、それぞれ積層方向に突出する凸部４１ｃが設けられている。膜・電極接合体４３との当接面には、膜・電極接合体４３のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４４や、カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路４５を形成するための溝が設けられている。また、第２のセパレータ４２との当接面には、冷却水を供給するための冷却水流路４６を形成するための溝が設けられている。

第２のセパレータ４２ａ，４２ｂの、第１のセパレータ４１と積層される側の積層面の外縁部にも、それぞれ積層方向に突出する凸部４２ｃが設けられている。膜・電極接合体４３との当接面には、膜・電極接合体４３のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４４や、カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路４５を形成するための溝が設けられている。また、第１のセパレータ４１との当接面には、冷却水を供給するための冷却水流路４６を形成するための溝が設けられている。

図示するように、第１のセパレータ４１と、第２のセパレータ４２とは、嵌合されており、第１のセパレータ４１の凸部４１ｃの内側面４１ｃｓは、第２のセパレータの凸部４２ｃの外周面４２ｐと当接している。こうすることによって、燃料電池スタック１００に、積層方向と垂直な方向に荷重が加わったときに、第１のセパレータ４１と、第２のセパレータ４２との横ずれを防止することができる。第２のセパレータ４２の凸部４２ｃの先端部４２ｃｔは、第１のセパレータ４１と当接している。

第１のセパレータ４１と、第２のセパレータ４２の凸部４２ｃとによって形成される空隙には、ビード４７が設けられている。このビード４７は、外部への冷却水の漏れを防止する機能を奏している。

さらに、本実施例の燃料電池スタック１００では、第１のセパレータ４１、および、第２のセパレータ４２の冷却水流路４６が形成される側の面に、上記横ずれ防止を補助するための構造が設けられている。

図３は、図２に示した領域Ａにおける第１のセパレータ４１ｂの冷却水流路４６の形成面と、第２のセパレータ４２ａの冷却水流路４６の形成面の一部を示す説明図である。なお、ここでは図示を省略しているが、冷却水流路４６は、図示したｘ方向、および、ｙ方向に、蛇行するように形成されている。

図３（ａ）に示すように、第１のセパレータ４１ｂには、第２のセパレータ４２ａとの当接面に、幅ｗ１、高さｈ１の凸部４１ｂｃが、間隔ｄ１で形成されている。また、図３（ｂ）に示すように、第２のセパレータ４２ａには、第１のセパレータ４１ｂとの当接面に、幅ｗ２、深さｈ２の凹部４２ａｃが、間隔ｄ２で形成されている。ここで、ｗ１とｗ２、ｈ１とｈ２、ｄ１とｄ２は、それぞれ等しく、第１のセパレータ４１ｂに形成された凸部４１ｂｃと、第２のセパレータ４２ａに形成された凹部４２ａｃとは、互いに嵌合する。こうすることによって、ｘ方向の横ずれを防止することができる。また、先に説明したように、冷却水流路４６は、ｙ方向にも形成されており、図示した例と同様の構造を有しているため、ｙ方向の横ずれを防止することもできる。

以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、上記特許文献１、２に記載された技術のように、各セパレータの接合面に、凹部、および、凸部を設ける必要がないので、比較的簡易にセパレータを構成することができる。また、第１のセパレータと、第２のセパレータとを嵌合させることができるので、比較的簡易な構成で、先に説明したセパレータの横ずれを抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａのスタック構造の構成を示す断面図である。図２実施例の燃料電池スタック１００Ａでは、スタック構造は、第１実施例の燃料電池スタック１００Ａと同様に、膜・電極接合体４３の両面を、第１のセパレータ４１Ａａ，４１Ａｂ、あるいは、第２のセパレータ４２ａ，４２ｂによって挟持し、これらを交互に積層させて構成されている。他の構成も、第１実施例の燃料電池スタック１００とほぼ同じである。ただし、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａは、以下の点で、第１実施例の燃料電池スタック１００と異なる。

図示するように、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａでは、第１のセパレータ４１Ａａ，４１Ａｂの外縁部に設けられた凸部４１Ａｃ１，４１Ａｃ２の高さｈｃ１，ｈｃ２が、互いに異なっている。そして、これらの高さｈｃ１，ｈｃ２は、第１のセパレータ４１Ａと、第２のセパレータ４２とを積層させたときに、凸部４１Ａｃ１の先端部４１Ａｃｔ１と、凸部４１Ａｃ２の先端部４１Ａｃｔ２とが当接するように、設定されている。したがって、図示した例では、第２のセパレータ４２ｂは、第１のセパレータ４１Ａａと嵌合し、また、第２のセパレータ４２ａは、第１のセパレータ４１Ａｂと嵌合するとともに、第１のセパレータ４１Ａａとも嵌合することができる。こうすることによって、燃料電池スタック１００に、積層方向と垂直な方向に荷重が加わったときに、第１のセパレータ４１Ａと、第２のセパレータ４２との横ずれを防止するとともに、第２のセパレータ４２ａと、第２のセパレータ４２ｂとの横ずれも防止することができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池スタック１００Ａによっても、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、比較的簡易な構成で、先に説明したセパレータ４０の横ずれを抑制することができる。さらに、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａでは、第１のセパレータ４１Ａａの凸部４１Ａｃ１の先端部４１Ａｃｔ１と、第１のセパレータ４１Ａｂの凸部４１Ａｃ２の先端部４１Ａｃｔ２とが当接するので、燃料電池スタック１００Ａのシール性を向上させることもできる。

Ｃ．第３実施例：
図５は、第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂのスタック構造の構成を示す断面図である。図示するように、第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂでは、スタック構造は、膜・電極接合体４３の両面を、第１のセパレータ４１Ｂと、第２のセパレータ４２Ｂとによって挟持し、これらを積層させて構成されている。

第１のセパレータ４１Ｂの両面の外縁部には、それぞれ積層方向に突出する凸部４１Ｂｃ１，４１Ｂｃ２が設けられている。膜・電極接合体４３との当接面には、膜・電極接合体４３のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４４や、カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路４５を形成するための溝が設けられている。また、第２のセパレータ４２Ｂとの当接面には、冷却水を供給するための冷却水流路４６を形成するための溝が設けられている。

第１のセパレータ４１Ｂと、第２のセパレータ４２Ｂとは、嵌合されており、第１のセパレータ４１Ｂの凸部４１Ｂｃ１，４１Ｂｃ２の各内側面４１Ｂｃｓ１，４１Ｂｃｓ２は、第２のセパレータ４２Ｂの外周面４２Ｂｐと、シール材４８を介して当接している。こうすることによって、燃料電池スタック１００Ｂに、積層方向と垂直な方向に荷重が加わったときに、第１のセパレータ４１Ｂと、第２のセパレータ４２Ｂとの横ずれを防止することができる。

また、第２のセパレータ４２ｂを介在させて隣接する２つの第１のセパレータ４１Ｂの凸部４１Ｂｃ１，４１Ｂｃ２の先端部４１Ｂｃｔ１，４１Ｂｃｔ２は、シール材４８を介して当接している。なお、図５では、図示の都合上、シール材４８は、図の一部にのみ描かれているが、実際には、他の当接面にも設けられている。

以上説明した第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂによっても、先に説明した第１、および、第２実施例の燃料電池スタック１００，１００Ａと同様に、比較的簡易な構成で、先に説明したセパレータ４０の横ずれを抑制することができる。さらに、第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂでは、第２のセパレータ４２ｂを介在させて隣接する第１のセパレータ４１Ｂの凸部４１Ｂｃ１の先端部４１Ｂｃｔ１と、第１のセパレータ４１Ｂの凸部４１Ｂｃ２の先端部４１Ｂｃｔ２とが、シール材４８を介して当接するので、燃料電池スタック１００Ｂのシール性を、さらに向上させることもできる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例では、図示したように、第１のセパレータ４１に設けられた凸部４１ｃや、第２のセパレータ４２に設けられた凸部４２ｃの断面形状は、矩形であるものとしたが、これに限られない。

図６は、変形例１の燃料電池スタック１００Ｃのスタック構造の構成を示す断面図である。変形例１の燃料電池スタック１００Ｃは、第１のセパレータ４１Ｃの外縁部に設けられた凸部４１Ｃｃ、および、第２のセパレータ４２Ｃの外縁部に設けられた凸部４２Ｃｃの断面形状が、第１実施例と異なること以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００と同じである。

第１のセパレータ４１Ｃの凸部４１Ｃｃの内側面４１Ｃｃｓは、積層方向に対して、傾斜している。また、第２のセパレータ４２Ｃの凸部４２Ｃｃの外周部４２Ｃｐも、積層方向に対して、傾斜している。そして、それぞれの傾斜角度は、第１のセパレータ４１Ｃの凸部４１Ｃｃの内側面４１Ｃｃｓと、第２のセパレータ４２Ｃの凸部４２Ｃｃの外周部４２Ｃｐとが当接するように設定されている。

以上説明した変形例１の燃料電池スタック１００Ｃによっても、先に説明した第１〜３実施例の燃料電池スタック１００，１００Ａ，１００Ｂと同様に、比較的簡易な構成で、先に説明したセパレータ４０の横ずれを抑制することができる。

Ｄ２．変形例２：
上記第１実施例、第２実施例、変形例１では、各セパレータの接合面に、第３実施例で示したシール材４８を介在させない構成を示したが、シール材４８を介在させるようにしてもよい。シール材４８を介在させることによって、セパレータ間のシール性を向上させることができる。一方、シール材４８を介在させなければ、燃料電池スタックの製造コストを低減することができる。

また、上記第１実施例、第２実施例、変形例１では、第１のセパレータと、第２のセパレータの凸部とによって形成される空隙に、ビードを設けるものとしたが、設けないようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記第１実施例では、図３に示したように、第１のセパレータ４１ｂの冷却水流路４６の形成面と、第２のセパレータ４２ａの冷却水流路４６の形成面とに、凸部４１ｂｃ、および、凹部４２ａｃとを設けたが、これらを省略するようにしてもよい。

第１実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。 スタック構造の構成を示す断面図である。 第１のセパレータ４１ｂの冷却水流路４６の形成面と、第２のセパレータ４２ａの冷却水流路４６の形成面の一部を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池スタック１００Ａのスタック構造の構成を示す断面図である。 第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂのスタック構造の構成を示す断面図である。 変形例１の燃料電池スタック１００Ｃのスタック構造の構成を示す断面図である。

符号の説明

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ...燃料電池スタック
１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０...セパレータ
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ...第１のセパレータ
４２，４２Ｂ，４２ｃ...第２のセパレータ
４３...膜・電極接合体
４４...燃料ガス流路
４５...酸化ガス流路
４６...冷却水流路
４７...ビード
４８...シール材
５０...集電板
６０...絶縁板
７０...エンドプレート

Claims (6)

1. 電解質層の両面にそれぞれ電極層を配置した複数の積層体を、複数のセパレータを介在させて積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
   前記複数のセパレータは、
   少なくとも一方の積層面の外縁部に、積層方向に突出する凸部を有する第１のセパレータと、
   前記第１のセパレータの前記凸部の内側面に、その外周面が当接するように配置される第２のセパレータと、
   を備える燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記積層体は、前記第１のセパレータ同士、または、前記第２のセパレータ同士によって、挟持されている、
   燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記積層体は、前記第１のセパレータと、前記第２のセパレータとによって、挟持されている、
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３記載の燃料電池であって、
   前記第２のセパレータを介在させて隣接する２つの前記第１のセパレータの前記凸部の先端部は、互いに当接する、
   燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記２つの第１のセパレータの各凸部の高さは、互いに異なる、
   燃料電池。
6. 請求項４または５記載の燃料電池であって、
   前記２つの第１のセパレータの前記凸部の先端部は、シール材を介して、互いに当接する、
   燃料電池。

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