JP5060143B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが積層されるとともに、前記発電セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。特に、積層方向端部に配置されている発電セルは、例えば、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

端部の発電セルでは、この温度低下により燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、図７に示すように、複数の発電セル１が積層された積層体１ａを備え、前記積層体１ａの積層方向の少なくとも一方の端部には、発電セル１に対応して第１及び第２ダミーセル２ａ、２ｂと端部セパレータ３とが配設されている。端部セパレータ３には、ターミナルプレート４、絶縁プレート５及びエンドプレート６が外方に向かって配設されている。

発電セル１を構成する第１金属セパレータ３ａ及び第２金属セパレータ３ｂには、第１シール部材７及び第２シール部材８が一体化されるとともに、前記第１シール部材７は、電解質膜・電極構造体の形状に対応して内側シール部７ａ及び外側シール部７ｂを有している。

この場合、第１及び第２ダミーセル２ａ、２ｂは、発電可能な電解質・電極構造体を用いておらず、発電による生成水が生成されることがない。従って、第１及び第２ダミーセル２ａ、２ｂ自体が断熱層として機能するため、低温始動時の端部の発電セル１の昇温遅れ及び前記端部の発電セル１の電圧降下を有効に阻止することができる。

特開２００６−１４７５０２号公報（図２）

ところで、端部セパレータ３には、シール部材９が一体化されるとともに、絶縁プレート５側の面には、第１金属セパレータ３ａの外側シール部７ｂに対応してシール部９ａが設けられている。

ここで、シール部材９は、好適には、第１金属セパレータ３の内側シール部７ａに対応してシール部９ｂを設けることが考えられる。内側シール部７ａ及び外側シール部７ｂに積層方向に付与されるシール荷重を確実に受けるためである。

その際、シール部９ａ、９ｂは、絶縁プレート５に密着しており、前記シール部９ａと前記シール部９ｂとの間には、閉空間Ｓが形成されている。このため、閉空間Ｓに封入されている空気の圧力が、端部セパレータ３に付与されてしまい、前記端部セパレータ３に変形等が惹起され易くなるとともに、シール性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、端部セパレータの２重シール部材間に閉空間が形成されることを阻止し、前記端部セパレータの変形を良好に防止するとともに、シール性の向上を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが積層されるとともに、前記発電セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。

少なくとも発電セルの積層方向一端を構成する端部セルは、ターミナルプレート側の端部セパレータ面に、電解質膜・電極構造体に対応して周回形成される２重シール部材を設けるとともに、少なくとも前記ターミナルプレート又は絶縁プレートには、前記２重シール部材間に形成される空間を外部に連通させる通路が設けられている。

また、通路は、空間の上部側に連通することが好ましい。

さらに、端部セルは、電解質膜に対応する導電性プレートを有するダミー電極構造体と、前記ダミー電極構造体を挟持するとともに、セパレータと同一構成のダミーセパレータとを備えるとともに、ターミナルプレートに隣接する前記ダミーセパレータには、２重シール部材が形成されることが好ましい。

さらにまた、絶縁プレートには、ターミナルプレートを収容する凹部が形成されるとともに、通路は、前記ターミナルプレートの外方に位置して前記絶縁プレートに形成されることが好ましい。

また、電解質膜・電極構造体は、一方の電極の表面積が他方の電極の表面積よりも小さく設定されることが好ましい。

本発明によれば、端部セパレータ面に２重シール部材が設けられるとともに、前記２重シール部材間に形成される空間が、通路を介して外部に連通している。このため、２重シール部材間に閉空間が形成されることがなく、前記閉空間の内圧増加による端部セパレータの変形等を良好に阻止するとともに、シール性の向上を図ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（単セル）１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ダミーセル１５ａ、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。

積層体１４の積層方向他端には、ダミーセル１５ｂ、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図１参照）。燃料電池スタック１０は、例えば、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、絶縁プレート１８ａ、１８ｂに形成された矩形状の凹部２１ａ、２１ｂに収容される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部２２ａ、２２ｂが設けられる。端子部２２ａ、２２ｂは、絶縁性筒体２４に挿入されて絶縁プレート１８ａ、１８ｂの孔部２６ａ、２６ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの孔部２８ａ、２８ｂに挿通されて外部に突出する。

図２及び図３に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

発電セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３８ａが設けられる。

発電セル１２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。アノード側電極４４は、カソード側電極４６よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

図４に示すように、第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４８ａを有し、前記波状流路溝４８ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して、複数のエンボスを備える入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３２の面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと、入口バッファ部５０ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部５２ａと、燃料ガス排出連通孔３８ｂと、出口バッファ部５０ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部５２ｂとが形成される。受け部５２ａ、５２ｂの近傍には、それぞれ複数の供給孔部５４ａ及び排出孔部５４ｂが形成される。供給孔部５４ａは、面３２ｂ側で燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する一方、排出孔部５４ｂは、同様に前記面３２ｂ側で燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する。

図３に示すように、第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通する酸化剤ガス流路５６が形成される。この酸化剤ガス流路５６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝５６ａを有し、前記波状流路溝５６ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して、複数のエンボスを備える入口バッファ部５８ａ及び出口バッファ部５８ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと、入口バッファ部５８ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部６０ａと、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂと、出口バッファ部５８ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部６０ｂとが設けられる。

第２金属セパレータ３４の面３４ｂと、第１金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとに連通する冷却媒体流路６２が形成される（図２及び図３参照）。この冷却媒体流路６２は、燃料ガス流路４８の裏面形状と酸化剤ガス流路５６の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材６４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材６６が一体成形される。第１及び第２シール部材６４、６６には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図４に示すように、第１シール部材６４は、面３２ａ側に燃料ガス流路４８を囲繞する内側シール部６４ａを有する。この内側シール部６４ａの外周には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂを囲繞して外側シール部６４ｂが設けられる。

図３に示すように、第１シール部材６４は、面３２ｂ側に内側シール部６４ａに対応するとともに、冷却媒体流路６２を冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する内側シール部６４ｃと、外側シール部６４ｂに対応する外側シール部６４ｄとが設けられる。

第２シール部材６６は、第２金属セパレータ３４の両方の面３４ａ、３４ｂに形成される平坦シールで構成される。

図１及び図２に示すように、ダミーセル１５ａは、ダミー電極構造体７０と、このダミー電極構造体７０を挟持する第１ダミーセパレータ（端部セパレータ）７２及び第２ダミーセパレータ７４とを備える。ダミー電極構造体７０は、固体高分子電解質膜４２に対応する金属プレート７６と、前記金属プレート７６を挟持するアノード側カーボンペーパ７８及びカソード側カーボンペーパ８０とを備える。カーボンペーパ７８、８０は、それぞれアノード側電極４４及びカソード側電極４６を構成するガス拡散層に対応する。

第１ダミーセパレータ７２は、第１金属セパレータ３２と同様に構成されるとともに、第２ダミーセパレータ７４は、第２金属セパレータ３４と同様に構成されており、それぞれ同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、第１ダミーセパレータ７２のターミナルプレート１６ａ側の面３２ｂには、第１シール部材６４を構成する内側シール部８２ａと、外側シール部８２ｂとが設けられる。内側シール部８２ａは、冷却媒体流路６２を周回するとともに、外側シール部８２ｂは、前記内側シール部８２ａを周回する。

面３２ａ側には、第１シール部材６４を構成する内側シール部６４ａ及び外側シール部６４ｂが形成される。内側シール部６４ａは、積層方向に対して内側シール部８２ａと略同一位置に設定される一方、外側シール部６４ｂは、積層方向に対して外側シール部８２ｂと略同一位置に設定される。

内側シール部８２ａと外側シール部８２ｂとの間には、空間８４が形成される。この空間８４は、所定の幅寸法を有する略リング状を有しており、その上部中央部が上方に突出する山形形状に設定される。

図１及び図２に示すように、絶縁プレート１８ａには、第１ダミーセパレータ７２の第１シール部材６４により形成されている空間８４において、その上部中央部に開放される孔部８６が形成される。この孔部８６は、絶縁プレート１８ａのエンドプレート２０ａ側の面に形成される溝部８８に連通して、前記絶縁プレート１８ａの上部から外方に開放される。孔部８６及び溝部８８により、空間８４を外部に連通させるための通路９０が構成される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔４０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の発電セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５６に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。

その際、第２金属セパレータ３４の面３４ａでは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部６０ａ間を通って入口バッファ部５８ａに供給される。この入口バッファ部５８ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路５６を構成する複数の波状流路溝５６ａに沿って鉛直下方向に流動し、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ３２の面３２ｂにおいて、燃料ガス供給連通孔３８ａから複数の供給孔部５４ａを通って面３２ａ側に供給される。この燃料ガスは、図４に示すように、受け部５２ａ間を通って入口バッファ部５０ａに導入される。入口バッファ部５０ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路４８を構成する複数の波状流路溝４８ａに沿って移動し、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス流路５６の下部に連通する出口バッファ部５８ｂに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部５８ｂから複数の受け部６０ｂ間に沿って酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに排出される。

同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路４８の下部に連通する出口バッファ部５０ｂに送られた後、複数の受け部５２ｂ間を流れる。燃料ガスは、複数の排出孔部５４ｂを通って面３２ｂ側に移動し、燃料ガス排出連通孔３８ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路６２に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１及び図５に示すように、第１ダミーセパレータ７２の絶縁プレート１８ｂに向かう面には、第１シール部材６４を構成する内側シール部８２ａと外側シール部８２ｂとの間に、略リング状の空間８４が形成されている。そして、内側シール部８２ａ及び外側シール部８２ｂは、絶縁プレート１８ａの面に密着するとともに、空間８４の上部略中央部が、前記絶縁プレート１８ａに形成されている通路９０を構成する孔部８６に連通している（図２参照）。

このため、第１シール部材６４が絶縁プレート１８ａの面に密着した状態で、空間８４は、孔部８６及び溝部８８を介して、すなわち、通路９０を介して外部に開放されており、前記空間８４が閉空間を形成することはない。これにより、空間８４の内圧増加により、例えば、第１ダミーセパレータ７２が変形することを良好に阻止するとともに、シール性の向上を図ることができるという効果が得られる。

しかも、絶縁プレート１８ａに、孔部８６と溝部８８とからなる通路９０を設けるだけでよい。従って、構成が複雑化することがなく、経済的であるという利点がある。さらに、孔部８６は、空間８４の上部中央部、すなわち、最上部に連通している。このため、空間８４内の気体は、孔部８６及び溝部８８を介して円滑且つ確実に外部に排出される。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００では、絶縁プレート１８ａに、第１ダミーセパレータ７２に設けられている内側シール部８２ａと外側シール部８２ｂとの間の空間８４に連通する孔部８６が形成されるとともに、エンドプレート２０ａに、前記孔部８６に連通する孔部１０２が形成される。孔部８６、１０２により空間８４を外部に開放するための通路１０４が形成される。

従って、第２の実施形態では、第１ダミーセパレータ７２が絶縁プレート１８ａに押圧され、第１シール部材６４が前記絶縁プレート１８ａの面に密着する際、内側シール部８２ａと外側シール部８２ｂとの間に形成される空間８４は、閉空間を形成することがない。これにより、第１ダミーセパレータ７２の変形等を良好に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、絶縁プレート１８ａに凹部２１ａを形成し、この凹部２１ａにターミナルプレート１６ａが収容されているが、これに限定されるものではない。

例えば、ターミナルプレート１６ａを絶縁プレート１８ａと同一の外径寸法に設定し、第１ダミーセパレータ７２の第１シール部材６４が、前記ターミナルプレート１６ａの面に密着する構成を採用することもできる。その際、ターミナルプレート１６ａには、空間８４に連通する孔部（図示せず）を形成し、この孔部を含む通路を介して前記空間８４を外部に開放するように構成すればよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する単セルの分解斜視図である。 前記単セルを構成する第１金属セパレータの正面図である。 前記燃料電池スタックを構成する端部セパレータの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。 特許文献１に開示されている燃料電池スタックの断面説明図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １５ａ、１５ｂ…ダミーセル
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート １８ａ、１８ｂ…絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２ａ、２２ｂ…端子部
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３８ａ…燃料ガス供給連通孔 ３８ｂ…燃料ガス排出連通孔
４０ａ…冷却媒体供給連通孔 ４０ｂ…冷却媒体排出連通孔
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ４８…燃料ガス流路
５６…酸化剤ガス流路 ６２…冷却媒体流路
６４、６６…シール部材 ６４ａ、８２ａ…内側シール部
６４ｂ、８２ｂ…外側シール部 ７０…ダミー電極構造体
７２、７４…ダミーセパレータ ７６…金属プレート
８４…空間 ８６、１０２…孔部
８８…溝部 ９０、１０４…通路

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが積層されるとともに、前記発電セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   少なくとも前記発電セルの積層方向一端を構成する端部セルは、前記ターミナルプレート側の端部セパレータ面に、前記電解質膜・電極構造体に対応して周回形成される２重シール部材を設けるとともに、
   少なくとも前記ターミナルプレート又は前記絶縁プレートには、前記２重シール部材間に形成される空間を外部に連通させる通路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記通路は、前記空間の上部側に連通することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部セルは、前記電解質膜に対応する導電性プレートを有するダミー電極構造体と、
   前記ダミー電極構造体を挟持するとともに、前記セパレータと同一構成のダミーセパレータと、
   を備えるとともに、
   前記ターミナルプレートに隣接する前記ダミーセパレータには、前記２重シール部材が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁プレートには、前記ターミナルプレートを収容する凹部が形成されるとともに、
   前記通路は、前記ターミナルプレートの外方に位置して前記絶縁プレートに形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質膜・電極構造体は、一方の電極の表面積が他方の電極の表面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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