JP7103249B2

JP7103249B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP7103249B2
Application number: JP2019014781A
Authority: JP
Inventors: 雅之伊藤; 晴之青野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: JP2020123497A

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックを構成する複数の単セルは、それぞれ反応ガス等の漏れを防止するシール部が設けられている（例えば特許文献１参照）。シール部は、セパレータにより弾性圧縮されることにより、シール性を確保している。

特開２０００－１５６２３４号公報

例えば製造過程において、シール部と、このシール部を弾性圧縮するセパレータとの相対位置が所望の位置からずれると、シール性が低下する可能性がある。

そこで本発明は、シール性の低下が抑制された燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的は、隣接した第１及び第２単セルを含む複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、前記第１及び第２単セルのそれぞれは、膜電極ガス拡散層接合体と、シール部を含むガスケット、及び前記膜電極ガス拡散層接合体を支持する支持フレーム部、を含む絶縁部材と、前記支持フレーム部に接合された第１セパレータと、前記第１セパレータに接合された第２セパレータと、を含み、前記第１単セルの前記シール部は、前記第２単セルの前記第２セパレータにより弾性圧縮されており、前記第１単セルの前記絶縁部材と前記第１単セルの前記第１セパレータとは、互いに嵌合した嵌合部を有し、前記複数の単セルが積層された積層方向に沿って前記第１単セルの前記嵌合部を前記第１単セルの前記シール部側に投影して形成される領域内に、前記第１単セルの前記シール部の少なくとも一部が含まれ、前記嵌合部は、前記支持フレーム部に形成された嵌合孔部を含み、前記第１単セルの前記第１セパレータは、前記嵌合孔部を介して前記第１単セルの前記ガスケットに当接する、燃料電池スタックによって達成できる。

シール性の低下が抑制された燃料電池スタックを提供できる。

図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。図２Ａは、図１のＡ－Ａ線に対応した単セルの断面図であり、図２Ｂは、単セルのガスケットの一部を上方側から見た図である。図３は、変形例の単セルの説明図である。図４Ａは、変形例のガスケットの説明図であり、図４Ｂ及び図４Ｃは、変形例の支持フレームの説明図である。

［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。またＸ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。＋Ｚ方向は、鉛直上方向に相当する。

燃料電池スタック１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、ＭＥＧＡ１０を挟持するカソードセパレータ２０及びアノードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。支持フレーム１８は、樹脂製であり、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ１０の周縁領域に接合されている。

支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ｓ１～ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４～ｓ６が形成されている。セパレータ４０の２つの短辺の一方側には孔ａ１～ａ３が形成され、他方側には孔ａ４～ａ６が形成されている。セパレータ２０の２つの短辺の一方側には孔ｃ１～ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４～ｃ６が形成されている。孔ｓ１、ａ１、及びｃ１は連通してアノード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ｓ２、ａ２、及びｃ２は、冷媒出口マニホールドを、孔ｓ３、ａ３、及びｃ３はカソード出口マニホールドを、孔ｓ４、ａ４、及びｃ４はカソード入口マニホールドを、孔ｓ５、ａ５、及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ｓ６、ａ６、及びｃ６はアノード出口マニホールドを画定する。

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路溝４０Ａ（以下、流路溝と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるアノード流路溝２０Ａ（以下、流路溝と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路溝４０Ａとは反対側の面、及びセパレータ２０の流路溝２０Ａとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路溝２０Ｂ及び４０Ｂ（以下、流路溝と称する）がそれぞれ形成されている。流路溝２０Ａ及び２０Ｂはセパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路溝４０Ａ及び４０Ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。

セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。

ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、不図示の膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）とを有している。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層及びカソード触媒層（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層は、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、２つの触媒層のそれぞれに接合されている。

支持フレーム１８のセパレータ４０と反対側の面には、ガスケット５０、及び複数のガスケット６０が設けられている。ガスケット５０は、孔ｓ１、孔ｓ６、及びＭＥＧＡ１０を含む全体を包囲している。ガスケット６０は、孔ｓ２～ｓ５のそれぞれを包囲している。図１に示した単セル２の上方側に隣接する他の単セルのセパレータ２０には、支持フレーム１８と対向する側の面に、ガスケット５０及び６０のそれぞれに対応するように、周回状に連続した凹状の溝部が複数形成されている。

［位置決め構造］
図２Ａは、図１のＡ－Ａ線に対応した単セル２の断面図である。図２Ａは、ガスケット５０が延びた方向に垂直な単セル２の断面図を示している。図２Ａには、単セル２に加えてセパレータ２０－１を示している。セパレータ２０－１は、単セル２よりも＋Ｚ方向側に位置して隣接した単セルの一部を構成する。ここで、単セル２に隣接した単セルも、単セル２と同様の部材から構成されており、単セル２のセパレータ２０と、隣接した単セルのセパレータ２０－１とは同じ部材であるが、便宜上異なる符号を付している。

ガスケット５０の基部５１は、支持フレーム１８に形成された嵌合孔部１９を塞ぐように支持フレーム１８のセパレータ２０－１に対向した第１面１８１に固定されている。ガスケット５０は、嵌合孔部１９を塞ぐ板状の基部５１と、基部５１から＋Ｚ方向に突出した突起部５２とを含む。突起部５２は、セパレータ２０－１に弾性圧縮されている。ガスケット５０と支持フレーム１８とは、絶縁部材の一例である。

支持フレーム１８のセパレータ４０と対向した第２面１８２と、セパレータ４０とは、熱可塑性又は熱硬化性の接着剤９０により接合されている。セパレータ４０は、第１セパレータの一例である。セパレータ４０は、支持フレーム１８の嵌合孔部１９に嵌合する嵌合凸部４５を備えている。嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５は、嵌合部の一例である。嵌合凸部４５は、湾曲するようにして＋Ｚ方向側、即ち支持フレーム１８側に突出している。尚、セパレータ２０及び４０は、不図示の接着剤または溶接等により接合されている。また、セパレータ２０－１には、単セル２のガスケット５０の突起部５２に当接して突起部５２を弾性圧縮している溝部２５が形成されている。溝部２５は、＋Ｚ方向に窪んでおり、ガスケット５０に沿って延びている。同様にセパレータ２０にも溝部２５が形成されている。セパレータ２０の溝部２５の一部分が、セパレータ４０に当接している。セパレータ２０及び２０－１は、第２セパレータの一例である。ガスケット５０の突起部５２がセパレータ２０の溝部２５により弾性圧縮されており、突起部５２と溝部２５との間には突起部５２による弾性復元力が作用する。これによりガスケット５０の突起部５２とセパレータ２０の溝部２５との隙間からアノードガスが外部へと漏れることが抑制されている。ガスケット５０の突起部５２は、シール部として機能する。

図２Ｂは、単セル２のガスケット５０の一部を上方側から見た図である。嵌合孔部１９は、所定の間隔を空けてＹ方向に並ぶように複数設けられている。嵌合孔部１９は、Ｙ方向の方がＸ方向よりも長いスリット状に形成されている。ガスケット５０は、複数の嵌合孔部１９を塞ぐようにしてＹ方向に延在して支持フレーム１８の第１面１８１に固定されている。セパレータ４０の嵌合凸部４５も同様に、所定の間隔を空けてＹ方向に並ぶように複数設けられており、複数の嵌合凸部４５はそれぞれ複数の嵌合孔部１９に嵌合している。このように支持フレーム１８の嵌合孔部１９とセパレータ４０の嵌合凸部４５とが嵌合することにより、支持フレーム１８とセパレータ４０とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制された状態で両者を接合できる。尚、ガスケット５０の突起部５２や、セパレータ２０及び２０－１の溝部２５は、断続的に設けられている嵌合孔部１９や嵌合凸部４５とは異なり、連続的に所定方向に延びるように設けられている。

ここでＺ方向に沿って互いに嵌合した支持フレーム１８の嵌合孔部１９及びセパレータ４０の嵌合凸部４５をガスケット５０側に投影して形成される領域内に、ガスケット５０の突起部５２が含まれる。換言すれば、互いに嵌合した嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５と、ガスケット５０の突起部５２とはＺ方向で重なっている。このため嵌合孔部１９と嵌合凸部４５とが嵌合することにより、ガスケット５０の突起部５２とセパレータ４０とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制される。ここで、支持フレーム１８とセパレータ４０とを接合する前に、セパレータ４０及び２０は事前に接合されている。このため、嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５が嵌合することにより、ガスケット５０の突起部５２と、セパレータ４０及び２０とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制される。従って、ガスケット５０の突起部５２と、セパレータ２０の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制して、セパレータ４０と支持フレーム１８とを接着剤９０により接合することができる。このようにして製造された単セル２が複数積層されることにより、図２Ａに示した例でいえば、ガスケット５０の突起部５２とセパレータ２０－１の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制される。これにより、ガスケット５０の突起部５２とセパレータ２０－１の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対位置を所望の位置で、ガスケット５０の突起部５２をセパレータ２０－１の溝部２５により弾性圧縮させることができる。これにより、ガスケット５０のシール性の低下が抑制される。

図２Ａに示した例では、嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５をガスケット５０側に投影した領域内に、セパレータ２０－１により弾性圧縮される突起部５２の全てが含まれるが、これに限定されず、この領域内に突起部５２の一部が含まれていてもよい。この領域内に突起部５２の一部が含まれる場合であっても、突起部５２とセパレータ４０及び２０とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制され、突起部５２とセパレータ２０－１の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれが抑制され、ガスケット５０のシール性の低下を抑制できる。

図２Ａに示すように、ガスケット５０の基部５１は、セパレータ４０の嵌合凸部４５にも当接しているがこれに限定されず、ガスケット５０の基部５１とセパレータ４０の嵌合凸部４５とは離間していてもよい。嵌合孔部１９は、支持フレーム１８を貫通しているがこれに限定されず、嵌合孔部１９の代わりに、支持フレーム１８の第２面１８２に設けられ＋Ｚ方向に窪んだ凹部を設けて、この凹部とセパレータ４０の嵌合凸部４５とを嵌合させてもよい。

図２Ｂに示したように、複数の嵌合孔部１９は、ガスケット５０の直線状に延びた部位に対応して設けられているがこれに限定されない。例えば、ガスケット５０が湾曲した部分に対応するように、嵌合孔部１９を湾曲状に形成し、これに対応するように嵌合凸部４５も湾曲させてもよい。

その他、ガスケット６０についても、同様の構造によりセパレータ４０とのＸＹ平面方向での位置ずれが抑制される構成を採用してもよい。

［変形例］
次に、複数の変形例について説明する。尚、変形例について、上述した本実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図３は、変形例の単セル２ａの説明図である。ガスケット５０ａは、基部５１から－Ｚ方向に突出した嵌合凸部５５ａを有している。嵌合凸部５５ａは、支持フレーム１８ａの逃げ孔部１９ａに嵌合して、支持フレーム１８ａの第２面１８２から－Ｚ方向側、即ちセパレータ４０ａ側に突出している。逃げ孔部１９ａも上述した嵌合孔部１９と同様に、所定の間隔を空けて複数設けられており、これに対応するように、ガスケット５０ａの嵌合凸部５５ａも、所定の間隔を空けて複数設けられている。

セパレータ４０ａには、ガスケット５０ａの嵌合凸部５５ａに嵌合する嵌合凹部４５ａが形成されている。嵌合凹部４５ａは、嵌合凸部５５ａの形状に対応するように、－Ｚ方向に突出するように湾曲している。また、セパレータ２０ａの溝部２５ａには、嵌合凹部４５ａとの干渉を回避するために、－Ｚ方向に退避した退避部２６ａが形成されている。退避部２６ａは、溝部２５ａの底面から僅かに－Ｚ方向に突出するように形成されている。セパレータ２０ａ－１の退避部２６ａは、ガスケット５０ａの突起部５２を弾性圧縮する。ガスケット５０ａと支持フレーム１８ａとは、絶縁部材の一例である。

本変形例においても、Ｚ方向に沿って互いに嵌合したガスケット５０ａの嵌合凸部５５ａ及びセパレータ４０ａの嵌合凹部４５ａをガスケット５０ａ側に投影して形成される領域内に、ガスケット５０ａの突起部５２は含まれる。このため、ガスケット５０ａの突起部５２とセパレータ２０ａ―１の退避部２６ａとのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれを抑制でき、ガスケット５０ａのシール性の低下が抑制されている。

尚、上述したガスケット５０及び５０ａはゴム製であるため、支持フレーム１８及び１８ａやセパレータ４０及び４０ａよりも変形が容易である。このため、変形例のようにガスケット５０ａの嵌合凸部５５ａとセパレータ４０ａの嵌合凹部４５ａとが嵌合することにより位置決めされる構成よりも、上述した本実施例のように支持フレーム１８の嵌合孔部１９とセパレータ４０の嵌合凸部４５とが嵌合することにより位置決めされる構成の方が、位置精度は向上している。

図４Ａは、変形例のガスケット５０ｂの説明図である。尚、図４Ａには、支持フレーム１８とガスケット５０ｂとのみを示し、セパレータ４０、２０、及び２０－１については省略してある。ガスケット５０ｂは、板状であって、上述したガスケット５０及び５０ａとは異なり突起部５２は形成されておらず、平坦面５２ｂが形成されている。平坦面５２ｂは、上述したセパレータ２０－１の溝部２５に当接してガスケット５０ｂ全体が弾性圧縮される。ガスケット５０ｂと支持フレーム１８とは絶縁部材の一例である。本変形例では、平坦面５２ｂがシール部として機能する。本変形例においても、Ｚ方向に沿って嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５をガスケット５０ｂ側に投影して形成される領域内に、ガスケット５０ｂは含まれるため、ガスケット５０ｂとセパレータ２０―１の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれを抑制でき、ガスケット５０ｂのシール性の低下が抑制されている。

尚、ガスケット５０ｂの平坦面５２ｂの全体ではなく一部のみがセパレータに当接してガスケット５０ｂの一部分が弾性圧縮される場合には、嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５をガスケット５０ｂ側に投影して形成される領域内に、その弾性圧縮される部位の少なくとも一部が含まれていればよい。この場合、弾性圧縮される部位がシール部として機能する。

図４Ｂは、変形例の支持フレーム１８ｃの説明図である。支持フレーム１８ｃとガスケット部５０ｃとは同一の弾性材料により一体に形成されている。ガスケット部５０ｃと支持フレーム１８ｃとは、絶縁部材の一例である。ガスケット部５０ｃの突起部５２ｃは＋Ｚ方向に突出しており、上述したセパレータ２０―１の溝部２５に弾性圧縮される。本変形例では、突起部５２ｃがシール部として機能する。また、支持フレーム１８ｃの嵌合凹部１９ｃは、＋Ｚ方向に窪んでいる。本変形例においても、Ｚ方向に沿って嵌合凹部１９ｃ及び嵌合凸部４５をガスケット部５０ｃ側に投影して形成される領域内に、ガスケット部５０ｃの突起部５２ｃは含まれるため、ガスケット部５０ｃの突起部５２ｃとセパレータ２０―１の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれを抑制でき、ガスケット部５０ｃのシール性の低下が抑制されている。

図４Ｃは、変形例の支持フレーム１８ｄの説明図である。支持フレーム１８ｄはガスケット部５０ｄと同一の弾性材料により一体に形成されている。ガスケット部５０ｄと支持フレーム１８ｄとは、絶縁部材の一例である。ガスケット部５０ｄは、ガスケット５０ｂと同様の形状であり、平坦面５２ｄがセパレータ２０－１の溝部２５に当接してガスケット部５０ｄ全体が弾性圧縮される。本変形例では、平坦面５２ｄがシール部として機能する。本変形例においても、Ｚ方向に沿って嵌合凹部１９ｃ及び嵌合凸部４５をガスケット部５０ｄ側に投影して形成される領域内に、ガスケット部５０ｄは含まれるため、ガスケット部５０ｄとセパレータ２０―１の溝部２５とのＸＹ平面方向での相対的な位置ずれを抑制でき、ガスケット部５０ｄのシール性の低下が抑制されている。

ガスケット部５０ｄの平坦面５２ｄの全体ではなく一部のみがセパレータに当接してガスケット部５０ｄの一部分が弾性圧縮される場合には、嵌合凹部１９ｄ及び嵌合凸部４５をガスケット部５０ｄ側に投影して形成される領域内に、その弾性圧縮される部位の少なくとも一部が含まれていればよい。

図４Ａ～図４Ｃに示したガスケット５０ｂやガスケット部５０ｃ及び５０ｄにも、図３に示したガスケット５０ａのように嵌合凸部５５ａが形成されていてもよい。

例えば、図４Ａに示した支持フレーム１８の嵌合孔部１９を塞ぐように支持フレーム１８の第１面１８１のほぼ全面に亘って、支持フレーム１８よりも弾性変形が容易な弾性層が形成され、この弾性層を介して支持フレーム１８の第１面１８１と対向したセパレータが、支持フレーム１８の第１面１８１に向けて突出したビード部を有し、このビード部が弾性層の一部を弾性圧縮する構成であってもよい。この場合、Ｚ方向に沿って嵌合孔部１９及び嵌合凸部４５を弾性層側に投影した領域内に、ビード部により弾性層が弾性圧縮される部位が含まれていればよい。また、このような構成においても、支持フレーム１８と弾性層とに相当する部分とが同一材料により一体に形成されていてもよい。

上記実施例では、第１セパレータの一例であるセパレータ４０がアノードセパレータであり、第２セパレータの一例であるセパレータ２０及び２０－１はカソードセパレータであるが、これに限定されず、第１セパレータの一例としてカソードセパレータであり、第２セパレータの一例としてアノードセパレータであってもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０膜電極ガス拡散層接合体
１８支持フレーム
１９嵌合孔（嵌合部）
４０アノードセパレータ（第１セパレータ）
４５嵌合凸部（嵌合部）
２０，２０－１カソードセパレータ（第２セパレータ）
５０ガスケット
５２（シール部）

Claims

隣接した第１及び第２単セルを含む複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記第１及び第２単セルのそれぞれは、
膜電極ガス拡散層接合体と、
シール部を含むガスケット、及び前記膜電極ガス拡散層接合体を支持する支持フレーム部、を含む絶縁部材と、
前記支持フレーム部に接合された第１セパレータと、
前記第１セパレータに接合された第２セパレータと、を含み、
前記第１単セルの前記シール部は、前記第２単セルの前記第２セパレータにより弾性圧縮されており、
前記第１単セルの前記絶縁部材と前記第１単セルの前記第１セパレータとは、互いに嵌合した嵌合部を有し、
前記複数の単セルが積層された積層方向に沿って前記第１単セルの前記嵌合部を前記第１単セルの前記シール部側に投影して形成される領域内に、前記第１単セルの前記シール部の少なくとも一部が含まれ、
前記嵌合部は、前記支持フレーム部に形成された嵌合孔部を含み、
前記第１単セルの前記第１セパレータは、前記嵌合孔部を介して前記第１単セルの前記ガスケットに当接する、燃料電池スタック。