JP2025123793A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックのセルがずれても、セル外周部の冷却液漏れが起こりにくい技術を提案する。
【解決手段】 燃料電池スタックのセルは、隣接する第１セルと第２セルの間に粘着シートを有する。粘着シートは、第１セルの第１セパレータと第２セルの第２セパレータとを接着している。第１セルの第１セパレータは、粘着シートの接着領域内でリブを備え、リブは粘着シートにより第２セルの第２セパレータの平坦面に接着されている。平坦面の幅は、リブ基部の幅よりも広い構成である。
【選択図】図４

Description

本明細書に開示の技術は、燃料電池スタックに関する。

特許文献１に開示の燃料電池スタックは、積層された複数のセルを有している。各セルは、２つのセパレータと、その間に挟まれた膜電極接合体を有している。各セルの間に、粘着剤が配置されている。粘着剤は、隣接するセルのセパレータどうしを接着している。各セパレータには、粘着剤に向かって突出する突出部が設けられている。突出部どうしが粘着剤によって接着されている。突出部で囲まれている空間によって冷却液が流れる流路が構成されている。

特開２０２２－６６７７８号公報

上述したように、特許文献１に開示の燃料電池スタックでは、突出部どうしが粘着剤によって接着されている。このような構成では、外部からの衝撃等によってセルがずれたときに、突出部どうしの位置がずれて接着面のシール性が低下する場合がある。すると、冷却液流路でリークが生じる。

本明細書が開示する態様１の燃料電池スタックは、積層された複数のセルと、粘着シートと、を備える。前記各セルは、第１セパレータと、第２セパレータと、前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に挟まれた膜電極接合体と、を備える。複数の前記セルが、第１セルと、前記第１セルに隣接する第２セルを有している。前記第１セルの前記第１セパレータと前記第２セルの前記第２セパレータの間に冷却液流路が設けられている。前記粘着シートは、前記第１セルの前記第１セパレータと前記第２セルの前記第２セパレータとを接着している。記第１セルの前記第１セパレータは、前記粘着シートの接着領域内で突出部を備えている。前記突出部が前記粘着シートにより前記第２セルの前記第２セパレータの平坦面に接着されている。前記平坦面の幅が、前記突出部の基部の幅よりも広い。

上記の燃料電池スタックでは、突出部の基部の幅よりも広い平坦面に突出部が接着されているので、突出部がずれても冷却液のリークが生じ難い。

燃料電池スタックの斜視図である。 燃料電池スタックのセルの分解斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 第１セパレータの平面図である。 図１のＡ－Ａ断面であり、セル９０が積層した場合の断面図である。 図１のＢ－Ｂ断面であり、セル９０が積層した場合の断面図である。 変形例の平坦面の説明図である。

上記態様１に続き、本明細書が開示する燃料電池スタックの追加的な構成について以下に説明する。
（態様２）
前記粘着シートの接着領域全体で、前記第２セルの前記第２セパレータの表面が平坦である態様１に記載の燃料電池スタック。
（態様３）
前記各セルは、前記膜電極接合体の周囲を囲んでおり、前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に挟まれた枠シートを有し、前記セルの積層方向に沿って見たときに前記枠シートと重なる範囲に前記突出部が設けられている、態様１または２に記載の燃料電池スタック。
（態様４）
前記突出部が、前記第１セパレータの外周縁に沿って環状に伸びている第１環状部を有する、態様１～３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
（態様５）
前記第１セルの前記第１セパレータが、第１貫通孔を有し、前記第２セルの前記第２セパレータが、第２貫通孔を有し、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔によってガス流路が構成されており、前記突出部が、前記第１貫通孔の外周縁に沿って環状に伸びている第２環状部を有し、前記第２環状部は、前記粘着シートによって前記第２貫通孔の外周縁に沿う環状の領域において前記第２セパレータに接着されている、態様１～４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
（態様６）
前記粘着シートが、ゴムシートと、前記ゴムシートと前記第１セルの前記第１セパレータとを接着する第１接着層と、前記ゴムシートと前記第２セルの前記第２セパレータとを接着する第２接着層を有する態様１～５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
（態様７）
前記突出部が、前記第１セパレータの屈曲部により構成されたリブである、態様１～６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

燃料電池スタックは、例えば燃料電池を電源とする燃料電池車に搭載される。図１に示す燃料電池スタック１００は、積層された複数のセル９０を有している。図２で示すように、各セル９０は、第１セパレータ１０と、第２セパレータ２０と、膜電極接合体４０と、枠シート５０を有する。

膜電極接合体４０は、水素と酸素を反応させて電力を生成する。膜電極接合体４０は、図示しないが、電解質膜を２つの触媒層で挟んだ構造を備えている。電解質膜の材料としては、例えば、イオン交換膜などを挙げることができる。触媒層の材料としては、例えば、炭素粒子に白金ナノ粒子を担持させた材料を挙げることができる。

枠シート５０は、絶縁性の樹脂により構成されている。図２に示すように、枠シート５０の中央には、枠シート５０を貫通する収容孔５２が設けられている。収容孔５２内に、膜電極接合体４０が配置されている。すなわち、枠シート５０は膜電極接合体４０の周囲を囲んでいる。

第１セパレータ１０と第２セパレータ２０は、ガス不透過の導電性材料で構成されている。セパレータの材料としては、例えば、ステンレス鋼などの金属材料や炭素材料が挙げられる。第１セパレータ１０と第２セパレータ２０の間に、膜電極接合体４０と枠シート５０が挟まれている。すなわち、第１セパレータ１０は、膜電極接合体４０と枠シート５０の一方の表面に接している。第２セパレータ２０は、膜電極接合体４０と枠シート５０の他方の表面に接している。以下では、積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体４０と重なる領域を主要領域４５といい、枠シート５０と重なる領域を外周領域５５という。

図３に示すように、主要領域４５内で、第１セパレータ１０にリブ１１が設けられている。リブ１１は、第１セパレータ１０が屈曲することで外側（すなわち、膜電極接合体４０の反対側）に突出している部分である。リブ１１と膜電極接合体４０の間の空間によって水素ガス流路１４が構成されている。主要領域４５内で、第２セパレータ２０にリブ２１が設けられている。リブ２１は、第２セパレータ２０が屈曲することで外側（すなわち、膜電極接合体４０の反対側）に突出している部分である。リブ２１と膜電極接合体４０の間の空間によって酸化ガス流路２４が構成されている。なお、酸化ガスは、酸素を含むガスであり、本実施例では空気である。

図３に示すように、外周領域５５内で、第１セパレータ１０にリブ１２が設けられている。リブ１２は、第１セパレータ１０が屈曲することで外側（すなわち、枠シート５０の反対側）に突出している部分である。外周領域５５内では、第２セパレータ２０にリブは設けられていない。すなわち、外周領域５５内では、第２セパレータ２０は平坦である。以下では、外周領域５５内の第２セパレータ２０の外側の表面を、平坦面２２という。

図２に示すように、枠シート５０には、収容孔５２の周囲に複数の貫通孔５６が設けられている。第１セパレータ１０には、複数の貫通孔１６が設けられている。各貫通孔１６は、貫通孔５６と重なる位置にある。第２セパレータ２０には、複数の貫通孔２６が設けられている。各貫通孔２６は、貫通孔５６と重なる位置にある。貫通孔１６、２６、５６が繋がることによって、セル９０を厚さ方向に貫通する複数の流路６１～６６が構成されている。流路６１は、水素ガスが流れる水素ガス供給路である。流路６２は、水素ガスが流れる水素ガス排出路である。流路６３は、酸化ガスが流れる酸化ガス供給路である。流路６４は、酸化ガスが流れる酸化ガス排出路である。流路６５は、冷却液が流れる冷却液供給路である。流路６６は、冷却液が流れる冷却液排出路である。図１に示すように、複数のセル９０が積層されて燃料電池スタック１００が構成されている。燃料電池スタック１００では、各セル９０の流路６１～６６が互いに繋がっている。したがって、各流路６１～６６は、積層方向に沿って燃料電池スタック１００の両端まで伸びている。流路６１内の水素ガスは、各セル９０の水素ガス流路１４を通って流路６２へ排出される。流路６３内の酸化ガスは、各セル９０の酸化ガス流路２４を通って流路６４へ排出される。

図４に示すように、リブ１２は、環状部１２－１と、複数の環状部１２－２を有している。環状部１２－１は、第１セパレータ１０の外周縁に沿って環状に伸びている。各環状部１２－２は、流路６１～６４を構成する各貫通孔１６の外周縁に沿って環状に伸びている。流路６５～６６を構成する各貫通孔１６の周囲には、リブ１２は設けられていない。

次に、隣接するセル９０の間の接続部の構造について説明する。なお、各接続部の構造は等しいので、以下では、図５に示すセル９０ａとセル９０ｂの間の接続部の構造について説明する。なお、以下では、セル９０ａの第１セパレータ１０を第１セパレータ１０ａといい、セル９０ｂの第２セパレータ２０を第２セパレータ２０ｂという。

図５に示すように、第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂは向かい合うように配置されている。第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂの間に粘着シート３０が挟まれている。粘着シート３０は、第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂとを接着している。粘着シート３０は、ゴムシート３０ｇと、粘着層３０ａ、３０ｂを有している。粘着層３０ａは、ゴムシート３０ｇと第１セパレータ１０ａを接着している。粘着層３０ｂは、ゴムシート３０ｇと第２セパレータ２０ｂを接着している。すなわち、粘着シート３０の一方の面は第１セパレータ１０ａと接着しており、粘着シート３０の他方の面は第２セパレータ２０ｂと接着している。

図２に示すように、粘着シート３０は、外周領域５５（すなわち、枠シート５０と重なる領域）内に設けられている。主要領域４５（すなわち、膜電極接合体４０と重なる領域）では、粘着シート３０には開口部３０ｃが設けられている。粘着シート３０は、第１セパレータ１０ａの外周縁に隣接する範囲と、水素ガス供給路６１、水素ガス排出路６２、酸化ガス供給路６３、酸化ガス排出路６４のそれぞれを囲む範囲に設けられている。これらの範囲内で、粘着シート３０は、第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂを接着している。また、粘着シート３０は、開口部３０ｃと冷却液供給路６５の間及び開口部３０ｃと冷却液排出路６６の間には設けられていない。

図５、６に示すように、外周領域５５で、第１セパレータ１０ａのリブ１２は、粘着シート３０に接着している。また、外周領域５５で、第２セパレータ２０ｂの平坦面２２は、粘着シート３０に接着している。すなわち、粘着シート３０は、枠シート５０の範囲において、第１セパレータ１０ａのリブ１２と第２セパレータ２０ｂの平坦面２２を接着している。言い換えると、粘着シート３０の接着範囲において、第１セパレータ１０ａはリブを有し、第２セパレータ２０ｂは平坦面２２を有する。

図４に示すように、第１セパレータ１０ａのリブ１２は、環状部１２－１を有している。図５、６に示すように、環状部１２－１は、粘着シート３０に接着している。また、環状部１２－１の範囲で、第２セパレータ２０ｂの平坦面２２は、粘着シート３０に接着している。すなわち、粘着シート３０は、環状部１２－１と平坦面２２を接着している。環状部１２－１の範囲で、第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂの間がシールされている。

図４に示すように、第１セパレータ１０ａのリブ１２は、複数の環状部１２－２を有している。環状部１２－２は、流路６１～６４のそれぞれの周囲を囲んでいる。図６で示すように、複数の環状部１２－２は、粘着シート３０に接着している。また、複数の環状部１２－２の範囲で、第２セパレータ２０ｂの平坦面２２は、粘着シート３０に接着している。すなわち、粘着シート３０は、複数の環状部１２－２と平坦面２２を接着している。複数の環状部１２－２の範囲で、第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂの間がシールされている。

図５、６で示すように、主要領域４５では、第１セパレータ１０ａのリブ１１と第２セパレータ２０ｂのリブ２１が接している。これにより、第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂが電気的に接続されている。

外周領域５５内では、リブ１２が平坦面２２に接していることで、リブ１２以外の部分で第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂの間に間隔が設けられている。主要領域４５内では、リブ１１がリブ２１に接していることで、リブ１１、２１以外の部分で第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂの間に間隔が設けられている。第１セパレータ１０ａと第２セパレータ２０ｂの間の間隔によって、冷却液流路６９が構成されている。流路６５内の冷却液は、各セル９０の冷却液流路６９を通って流路６６へ排出される。粘着シート３０は、環状部１２－１、１２－２において、冷却液供給路６５と冷却液排出路６６内の冷却液のリークを防止している。

リブ１２（すなわち、環状部１２－１、１２－２）は、第２セパレータ２０ｂの平坦面２２に接着されている。このため、外部からの衝撃等によってセル９０ａと９０ｂがずれたとしても、接着面のシール性が低下しにくい。そのため、冷却液流路６９で冷却液のリークが生じ難い。

また、主要領域４５では、第１セパレータ１０ａのリブ１１と第２セパレータ２０ｂのリブ２１が接している。リブ１１、１２の両側が冷却液流路６９であるので、リブ１１とリブ１２の界面に高いシール性は必要とならない。したがって、外部からの衝撃等によってリブ１１とリブ１２がずれたとしても、冷却液流路６９から外部への冷却液のリークは生じない。

また、上述した実施例では、第１セパレータ側に水素ガス流路が設けられており、第２セパレータ側に酸化ガス流路が設けられていた。しかしながら、第１セパレータ側に酸化ガス流路が設けられており、第２セパレータ側に水素ガス流路が設けられていてもよい。すなわち、第１セパレータと第２セパレータのいずれがアノードであってもよい。

上述した実施例では、粘着シート３０が設けられている範囲全体で第２セパレータ２０ｂの表面全体が平坦面２２であった。しかしながら、図７に示すように、第２セパレータ２０の平坦面２２（すなわち、リブ１２が接着されている平坦面）の幅Ｗ２がリブ１２の幅Ｗ１の基部の幅よりも広ければ、平坦面２２はどのように設けられていてもよい。例えば、図７のように第２セパレータ２０に幅広のリブ２３が設けられており、リブ２３の端面が平坦面２２であってもよい。なお、この場合、リブ２３の内部領域２３ａに補強部材を設けてもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：第１セパレータ
１１ ：リブ
１２ ：リブ
１２－１ ：環状部
１２－２ ：環状部
１６ ：貫通孔
２０ ：第２セパレータ
２１ ：リブ
２２ ：平坦面
２６ ：貫通孔
３０ ：粘着シート
４０ ：膜電極接合体
４５ ：主要領域
５０ ：枠シート
５２ ：収容孔
５５ ：外周領域
５６ ：貫通孔
９０ ：セル
１００ ：燃料電池スタック

Claims (7)

1. 燃料電池スタックであって、
   積層された複数のセルと、
   粘着シートと、
   を備え、
   前記各セルは、
   第１セパレータと、
   第２セパレータと、
   前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に挟まれた膜電極接合体と、
   を備え、
   複数の前記セルが、第１セルと、前記第１セルに隣接する第２セルを有し、
   前記第１セルの前記第１セパレータと前記第２セルの前記第２セパレータの間に冷却液流路が設けられており、
   前記粘着シートは、前記第１セルの前記第１セパレータと前記第２セルの前記第２セパレータとを接着しており、
   前記第１セルの前記第１セパレータは、前記粘着シートの接着領域内で突出部を備え、
   前記突出部が前記粘着シートにより前記第２セルの前記第２セパレータの平坦面に接着されており、
   前記平坦面の幅が、前記突出部の基部の幅よりも広い、
   燃料電池スタック。
2. 前記粘着シートの接着領域全体で、前記第２セルの前記第２セパレータの表面が平坦である請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記各セルは、前記膜電極接合体の周囲を囲んでおり、前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に挟まれた枠シートを有し、
   前記セルの積層方向に沿って見たときに前記枠シートと重なる範囲に前記突出部が設けられている、
   請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記突出部が、前記第１セパレータの外周縁に沿って環状に伸びている第１環状部を有する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記第１セルの前記第１セパレータが、第１貫通孔を有し、
   前記第２セルの前記第２セパレータが、第２貫通孔を有し、
   前記第１貫通孔と前記第２貫通孔によってガス流路が構成されており、
   前記突出部が、前記第１貫通孔の外周縁に沿って環状に伸びている第２環状部を有し、
   前記第２環状部は、前記粘着シートによって前記第２貫通孔の外周縁に沿う環状の領域において前記第２セパレータに接着されている、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
6. 前記粘着シートが、
   ゴムシートと、
   前記ゴムシートと前記第１セルの前記第１セパレータとを接着する第１接着層と、
   前記ゴムシートと前記第２セルの前記第２セパレータとを接着する第２接着層、
   を有する請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
7. 前記突出部が、前記第１セパレータの屈曲部により構成されたリブである、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。