JP2023128790A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却媒体の脇流れを抑制できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタックは、ＭＥＡと、第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０とを備える単セル９０を複数積層して形成されている。第１セパレータ３０は、当該単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０に接触する第１凸部５０を有している。第１凸部５０は、外側溝流路の外側に設けられ、第２方向Ｙにおいて複数並んで設けられている。複数の第１凸部５０の各々は、第１頂壁部５１と、第２方向Ｙにおいて第１頂壁部５１の両側に位置する一対の第１側壁部５２とを有している。一対の第１側壁部５２のうち少なくとも一方には、第１段差部５３が設けられている。
【選択図】図３
【解決手段】燃料電池スタックは、ＭＥＡと、第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０とを備える単セル９０を複数積層して形成されている。第１セパレータ３０は、当該単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０に接触する第１凸部５０を有している。第１凸部５０は、外側溝流路の外側に設けられ、第２方向Ｙにおいて複数並んで設けられている。複数の第１凸部５０の各々は、第１頂壁部５１と、第２方向Ｙにおいて第１頂壁部５１の両側に位置する一対の第１側壁部５２とを有している。一対の第１側壁部５２のうち少なくとも一方には、第１段差部５３が設けられている。
【選択図】図３
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。
特許文献１には、燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックは、積層された複数の単セルを備えている。単セルは、２つのセパレータを備えている。２つのセパレータ同士の間には、膜電極接合体と、膜電極接合体を単セルの積層方向において挟む２つのガス拡散層とが設けられている。
各セパレータにおいてガス拡散層と対向する対向面には、反応媒体を導くための溝状の流路が設けられている。各セパレータにおいて対向面とは反対側の面には、互いに隣り合う単セルのセパレータ同士の間において冷却媒体を導くための空洞を形成する溝状の流路が設けられている。
また、各セパレータの対向面には、凸状のビードと、ビードと流路との間に形成された凹部とが設けられている。
ビードは、流路の周辺において全周にわたって設けられている。
ビードは、流路の周辺において全周にわたって設けられている。
各セパレータに形成された凹部の底壁同士は、互いに接触している（特許文献１の図６Ａ参照）。
こうしたセパレータを備える燃料電池スタックでは、上記空洞を流れる冷却媒体がビードに向かって流れること、所謂脇流れが、互いに接触している凹部同士によって抑制される。
こうしたセパレータを備える燃料電池スタックでは、上記空洞を流れる冷却媒体がビードに向かって流れること、所謂脇流れが、互いに接触している凹部同士によって抑制される。
ところで、こうした燃料電池スタックにおいては、各セパレータの凹部の深さにばらつきが生じる。すなわち、相対的に深い凹部と、相対的に浅い凹部とが混在することになる。そのため、相対的に浅い凹部の底壁同士の間には、隙間が形成されやすい。その結果、上記空洞から脇流れした冷却媒体が上記隙間を介して漏れ出すようになるため、凹部による脇流れの抑制効果が低減する。したがって、冷却媒体による冷却効率の低下、ひいては燃料電池の発電効率の低下を招くおそれがある。
本発明の目的は、冷却媒体の脇流れを抑制できる燃料電池スタックを提供することにある。
上記目的を達成するための燃料電池スタックは、発電部と、前記発電部を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータと、を備える単セルを第１方向において複数積層して形成され、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの各々において前記発電部と対向する面とは反対側の面には、第２方向において延在するとともに冷却媒体が流れる複数の溝流路が並んで設けられている燃料電池スタックであって、前記第１セパレータは、前記第１方向において当該単セルと隣接する他の前記単セルの前記第２セパレータに向かって突出するとともに、前記第２セパレータに接触する第１凸部を有しており、前記第１凸部は、前記第１方向及び前記第２方向の双方と交差する第３方向において最も外側に位置する前記溝流路の外側に設けられ、前記第２方向において複数並んで設けられており、複数の前記第１凸部の各々は、頂壁部と、前記第２方向において前記頂壁部の両側に位置する一対の側壁部と、を有しており、前記一対の側壁部のうち少なくとも一方には、前記第１方向において段差形状を有する段差部が設けられている。
燃料電池スタックにおいては、第１方向において複数の単セルが締め付けられる。ここで、第１凸部の第１方向における長さ、すなわち第１凸部の高さにばらつきがある場合、高い第１凸部と低い第１凸部とが混在することになる。
上記構成によれば、第１凸部が第２セパレータに圧接されると、第１凸部のうち相対的に高い第１凸部の側壁部の段差部が第１方向において円滑に撓み変形するようになる。このため、相対的に低い第１凸部と第２セパレータとの間には隙間が形成されにくくなる。これにより、冷却媒体が隙間を介して第１凸部の外側に流れにくくなる。したがって、冷却媒体の脇流れを抑制できる。
以下、図１～図４を参照して、燃料電池スタックの各実施形態について説明する。なお、各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示しているため、各構成の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、以降の説明における「直交」は厳密に直交の場合のみでなく、各実施形態における作用効果を奏する範囲内で概ね垂直に交差する場合も含まれる。
＜第１実施形態＞
まず、図１～図３を参照して、燃料電池スタックの第１実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池スタックは、全体として長方形板状の単セル９０を複数積層して形成されたものである。
まず、図１～図３を参照して、燃料電池スタックの第１実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池スタックは、全体として長方形板状の単セル９０を複数積層して形成されたものである。
なお、以降では、単セル９０の積層方向を第１方向Ｘとして説明する。また、第１方向Ｘと直交する方向のうち、単セル９０の長手方向を第２方向Ｙとして説明する。また、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの双方に直交する方向を第３方向Ｚとして説明する。
単セル９０は、反応ガスまたは冷却媒体を単セル９０内に導入するための入口側マニホールド９１，９３，９５と、単セル９０内の反応ガス及び冷却媒体を外部へ導出するための出口側マニホールド９２，９４，９６とを有している。なお、本実施形態では、入口側マニホールド９１及び出口側マニホールド９２は、燃料ガスが流通するマニホールドである。燃料ガスは、例えば水素ガスである。また、入口側マニホールド９３及び出口側マニホールド９４は、冷却媒体が流通するマニホールドである。冷却媒体は、例えば冷却水である。また、入口側マニホールド９５及び出口側マニホールド９６は、酸化剤ガスが流通するマニホールドである。酸化剤ガスは、例えば空気である。
入口側マニホールド９１，９３，９５及び出口側マニホールド９２，９４，９６は、平面視矩形状であり、単セル９０を第１方向Ｘに貫通している。
入口側マニホールド９１及び出口側マニホールド９４，９６は、第２方向Ｙにおける単セル９０の一側（図１の左右方向における左側）の端部に設けられている。入口側マニホールド９１及び出口側マニホールド９４，９６は、第３方向Ｚの一側（図１の紙面奥側）から他側（図１の紙面手前側）に向かって順に並んでいる。
入口側マニホールド９１及び出口側マニホールド９４，９６は、第２方向Ｙにおける単セル９０の一側（図１の左右方向における左側）の端部に設けられている。入口側マニホールド９１及び出口側マニホールド９４，９６は、第３方向Ｚの一側（図１の紙面奥側）から他側（図１の紙面手前側）に向かって順に並んでいる。
出口側マニホールド９２及び入口側マニホールド９３，９５は、第２方向Ｙにおける単セル９０の他側（図１の右側）の端部に設けられている。出口側マニホールド９２及び入口側マニホールド９３，９５は、第３方向Ｚの他側（図１の紙面手前側）から一側（図１の紙面奥側）に向かって順に並んでいる。
単セル９０は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ１０）と、ＭＥＡ１０を保持する枠部材２０と、ＭＥＡ１０及び枠部材２０を挟持する第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０とを有している。
以下、各構成について詳細に説明する。
＜ＭＥＡ１０＞
図１に示すように、ＭＥＡ１０は、図示しない固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）と、電解質膜の両面に設けられた電極１１，１２とを有している。なお、本実施形態では、第１方向Ｘにおける電解質膜の一側（図１の上下方向における上側）の面に接合された電極が、カソード電極１１である。また、第１方向Ｘにおける電解質膜の他側（図１の下側）の面に接合された電極が、アノード電極１２である。
＜ＭＥＡ１０＞
図１に示すように、ＭＥＡ１０は、図示しない固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）と、電解質膜の両面に設けられた電極１１，１２とを有している。なお、本実施形態では、第１方向Ｘにおける電解質膜の一側（図１の上下方向における上側）の面に接合された電極が、カソード電極１１である。また、第１方向Ｘにおける電解質膜の他側（図１の下側）の面に接合された電極が、アノード電極１２である。
各電極１１，１２は、電解質膜に接合された触媒層と、触媒層に接合されたガス拡散層（いずれも図示略）とを有している。
なお、ＭＥＡ１０が、本発明に係る燃料電池の発電部に相当する。
なお、ＭＥＡ１０が、本発明に係る燃料電池の発電部に相当する。
＜枠部材２０＞
図１及び図２に示すように、枠部材２０は、第２方向Ｙに長い長方形枠状であり、例えば合成樹脂材料により形成されている。
図１及び図２に示すように、枠部材２０は、第２方向Ｙに長い長方形枠状であり、例えば合成樹脂材料により形成されている。
枠部材２０は、マニホールド９１，９２，９３，９４，９５，９６の各々を構成する貫通孔２１，２２，２３，２４，２５，２６を有している。
枠部材２０は、中央に開口部２７を有している。開口部２７の周縁には、第１方向Ｘの一側（図１の上側）からＭＥＡ１０が接合されている。
枠部材２０は、中央に開口部２７を有している。開口部２７の周縁には、第１方向Ｘの一側（図１の上側）からＭＥＡ１０が接合されている。
＜第１セパレータ３０＞
図１及び図２に示すように、第１セパレータ３０は、例えばチタンやステンレス鋼からなる平面視長方形状の金属板材をプレス成形することにより形成されている。
図１及び図２に示すように、第１セパレータ３０は、例えばチタンやステンレス鋼からなる平面視長方形状の金属板材をプレス成形することにより形成されている。
第１セパレータ３０は、マニホールド９１，９２，９３，９４，９５，９６の各々を構成する貫通孔３１，３２，３３，３４，３５，３６を有している。
第１セパレータ３０は、第１方向ＸにおいてＭＥＡ１０のアノード電極１２と対向する対向面３０ａを有する第１面３０Ａと、対向面３０ａとは反対側の面３０ｂを有する第２面３０Ｂとを有している。
第１セパレータ３０は、第１方向ＸにおいてＭＥＡ１０のアノード電極１２と対向する対向面３０ａを有する第１面３０Ａと、対向面３０ａとは反対側の面３０ｂを有する第２面３０Ｂとを有している。
第１面３０Ａには、燃料ガスが流れる複数の溝流路３７Ａ及び一対の接続部３７Ｂが設けられている。なお、図１では、溝流路３７Ａ及び接続部３７Ｂを簡略化して図示している。
複数の溝流路３７Ａは、対向面３０ａに設けられている。複数の溝流路３７Ａの各々は、第２方向Ｙにおいて直線状に延在している（図１参照）。複数の溝流路３７Ａの各々は、第３方向Ｚにおいて互いに間隔をあけて並んでいる（図２参照）。
図１に示すように、一対の接続部３７Ｂは、第２方向Ｙにおいて複数の溝流路３７Ａの両側から貫通孔３１，３２の各々に向かって延びている。燃料ガスは、入口側マニホールド９１から一方の接続部３７Ｂを介して複数の溝流路３７Ａへ導入される。また、複数の溝流路３７Ａを流れる燃料ガスは、他方の接続部３７Ｂを介して出口側マニホールド９２へ排出される。
図１及び図２に示すように、第２面３０Ｂには、冷却媒体が流れる複数の溝流路３８Ａ及び一対の接続部３８Ｂと、第１凸部５０とが設けられている。なお、図１では、溝流路３８Ａ及び接続部３８Ｂを簡略化して図示している。また、図１及び図２では、第１凸部５０を簡略化して図示している。
複数の溝流路３８Ａは、面３０ｂに設けられている。複数の溝流路３８Ａの各々は、第２方向Ｙにおいて直線状に延在している（図１参照）。複数の溝流路３８Ａの各々は、第３方向Ｚにおいて互いに間隔をあけて並んでいる（図２参照）。
図２に示すように、第３方向Ｚにおいて隣り合う溝流路３８Ａ同士の間に位置する凸部の裏側によって、溝流路３７Ａが構成されている。また、第３方向Ｚにおいて隣り合う溝流路３７Ａ同士の間に位置する凸部の裏側によって、溝流路３８Ａが構成されている。
図１にて破線で示す一対の接続部３８Ｂは、第２方向Ｙにおいて複数の溝流路３８Ａの両側から貫通孔３３，３４の各々に向かって延びている。冷却媒体は、入口側マニホールド９３から一方の接続部３８Ｂを介して複数の溝流路３８Ａへ導入される。また、複数の溝流路３８Ａを流れる冷却媒体は、他方の接続部３８Ｂを介して出口側マニホールド９４へ排出される。
＜第１凸部５０＞
図１及び図２に示すように、第１凸部５０は、複数の溝流路３８Ａのうち第３方向Ｚにおいて最も外側に位置する一対の外側溝流路３８ａの外側に設けられている。本実施形態では、第１凸部５０は、一対の外側溝流路３８ａの双方の外側に設けられている（図１参照）。ここで、第３方向Ｚにおける「外側」とは、第３方向Ｚにおいて単セル９０の中央から離れる側のことである。なお、図２には、一対の外側溝流路３８ａのうち第３方向Ｚの一側（図１の紙面奥側）に位置する外側溝流路３８ａと、当該外側溝流路３８ａの外側に位置する第１凸部５０とを図示している。
図１及び図２に示すように、第１凸部５０は、複数の溝流路３８Ａのうち第３方向Ｚにおいて最も外側に位置する一対の外側溝流路３８ａの外側に設けられている。本実施形態では、第１凸部５０は、一対の外側溝流路３８ａの双方の外側に設けられている（図１参照）。ここで、第３方向Ｚにおける「外側」とは、第３方向Ｚにおいて単セル９０の中央から離れる側のことである。なお、図２には、一対の外側溝流路３８ａのうち第３方向Ｚの一側（図１の紙面奥側）に位置する外側溝流路３８ａと、当該外側溝流路３８ａの外側に位置する第１凸部５０とを図示している。
第１凸部５０は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０に向かって突出している（図２参照）。
第１凸部５０は、第３方向Ｚに延びている。
第１凸部５０は、第３方向Ｚに延びている。
図１に示すように、第１凸部５０は、第２方向Ｙにおいて互いに間隔をあけて複数並んでいる。複数の第１凸部５０は、第２方向Ｙにおいて外側溝流路３８ａが形成されている範囲の全体にわたって設けられている。
図３に示すように、複数の第１凸部５０の各々は、第１頂壁部５１と、第２方向Ｙにおいて第１頂壁部５１の両側に位置する一対の第１側壁部５２とを有している。
第１頂壁部５１は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０の第２面４０Ｂに接触している。
第１頂壁部５１は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０の第２面４０Ｂに接触している。
第１側壁部５２には、第１方向Ｘにおいて段差形状を有する第１段差部５３が設けられている。本実施形態では、第１段差部５３は、一対の第１側壁部５２の双方に設けられている。
第１段差部５３は、第１方向Ｘにおいて第１側壁部５２の中央に位置している。第１側壁部５２は、第１方向Ｘにおいて第１段差部５３よりも第１頂壁部５１側に位置する部分（以下、先端部５２ａ）と、第１方向Ｘにおいて第１段差部５３よりも第１凸部５０の基端側に位置する部分（以下、基端部５２ｂ）とを有している。
先端部５２ａは、第２方向Ｙにおいて基端部５２ｂよりも第１凸部５０の中央に近づく側に位置している。
＜第２セパレータ４０＞
図１及び図２に示すように、第２セパレータ４０は、例えばチタンやステンレス鋼からなる平面視長方形状の金属板材をプレス成形することにより形成されている。
＜第２セパレータ４０＞
図１及び図２に示すように、第２セパレータ４０は、例えばチタンやステンレス鋼からなる平面視長方形状の金属板材をプレス成形することにより形成されている。
第２セパレータ４０は、マニホールド９１，９２，９３，９４，９５，９６の各々を構成する貫通孔４１，４２，４３，４４，４５，４６を有している。
第２セパレータ４０は、第１方向ＸにおいてＭＥＡ１０のカソード電極１１と対向する対向面４０ａを有する第１面４０Ａと、対向面４０ａとは反対側の面４０ｂを有する第２面４０Ｂとを有している。
第２セパレータ４０は、第１方向ＸにおいてＭＥＡ１０のカソード電極１１と対向する対向面４０ａを有する第１面４０Ａと、対向面４０ａとは反対側の面４０ｂを有する第２面４０Ｂとを有している。
第１面４０Ａには、酸化剤ガスが流れる複数の溝流路４７Ａ及び一対の接続部４７Ｂが設けられている。なお、図１では、溝流路４７Ａ及び接続部４７Ｂを簡略化して図示している。
複数の溝流路４７Ａは、対向面４０ａに設けられている。複数の溝流路４７Ａの各々は、第２方向Ｙにおいて直線状に延在している（図１参照）。複数の溝流路４７Ａの各々は、第３方向Ｚにおいて互いに間隔をあけて並んでいる（図２参照）。
図１にて破線で示す一対の接続部４７Ｂは、第２方向Ｙにおいて複数の溝流路４７Ａの両側から貫通孔４５，４６の各々に向かって延びている。酸化剤ガスは、入口側マニホールド９５から一方の接続部４７Ｂを介して複数の溝流路４７Ａへ導入される。また、複数の溝流路４７Ａを流れる酸化剤ガスは、他方の接続部４７Ｂを介して出口側マニホールド９６へ排出される。
図１及び図２に示すように、第２面４０Ｂには、冷却媒体が流れる複数の溝流路４８Ａ及び一対の接続部４８Ｂとが設けられている。なお、図１では、溝流路４８Ａ及び接続部４８Ｂを簡略化して図示している。
複数の溝流路４８Ａは、面４０ｂに設けられている。複数の溝流路４８Ａの各々は、第２方向Ｙにおいて直線状に延在している（図１参照）。複数の溝流路４８Ａの各々は、第３方向Ｚにおいて互いに間隔をあけて並んでいる（図２参照）。
複数の溝流路４８Ａは、第３方向Ｚにおいて最も外側に位置する一対の外側溝流路４８ａを有している。
図２に示すように、第３方向Ｚにおいて隣り合う溝流路４８Ａ同士の間に位置する凸部の裏側によって、溝流路４７Ａが構成されている。また、第３方向Ｚにおいて隣り合う溝流路４７Ａ同士の間に位置する凸部の裏側によって、溝流路４８Ａが構成されている。
図２に示すように、第３方向Ｚにおいて隣り合う溝流路４８Ａ同士の間に位置する凸部の裏側によって、溝流路４７Ａが構成されている。また、第３方向Ｚにおいて隣り合う溝流路４７Ａ同士の間に位置する凸部の裏側によって、溝流路４８Ａが構成されている。
図１に示すように、一対の接続部４８Ｂは、第２方向Ｙにおいて複数の溝流路４８Ａの両側から貫通孔４３，４４の各々に向かって延びている。冷却媒体は、入口側マニホールド９３から一方の接続部４８Ｂを介して複数の溝流路４８Ａへ導入される。また、複数の溝流路４８Ａを流れる冷却媒体は、他方の接続部４８Ｂを介して出口側マニホールド９４へ排出される。
図２に示すように、第３方向Ｚにおいて第１凸部５０よりも外側には、単セル９０のセパレータ３０と、当該単セル９０と第１方向Ｘにおいて隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０との間をシールするガスケット７０が設けられている。複数の第１凸部５０は、第３方向Ｚにおいてガスケット７０と外側溝流路３８ａ，４８ａとの間に形成される空間Ｓを部分的に埋めるように構成されている。
次に、第１実施形態の作用について説明する。
燃料電池スタックにおいては、第１方向Ｘにおいて複数の単セル９０が締め付けられる。ここで、第１凸部５０の第１方向Ｘにおける長さ、すなわち第１凸部５０の高さＨ（図３参照）にばらつきがある場合、高い第１凸部５０と低い第１凸部５０とが混在することになる。そのため、低い第１凸部５０は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０との間に隙間を形成しやすい。
燃料電池スタックにおいては、第１方向Ｘにおいて複数の単セル９０が締め付けられる。ここで、第１凸部５０の第１方向Ｘにおける長さ、すなわち第１凸部５０の高さＨ（図３参照）にばらつきがある場合、高い第１凸部５０と低い第１凸部５０とが混在することになる。そのため、低い第１凸部５０は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０との間に隙間を形成しやすい。
この点、本実施形態の構成によれば、第１凸部５０が第２セパレータ４０に圧接されると、第１凸部５０のうち相対的に高い第１凸部５０の第１側壁部５２の第１段差部５３が第１方向Ｘにおいて円滑に撓み変形するようになる。その結果、相対的に高い第１凸部５０の高さＨが低くなる。このため、相対的に低い第１凸部５０と第２セパレータ４０との間には隙間が形成されにくくなる。これにより、冷却媒体が隙間を介して第１凸部５０の外側に流れにくくなる。したがって、冷却媒体の脇流れを抑制できる。
次に、第１実施形態の効果について説明する。
（１－１）第１セパレータ３０は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０に向かって突出するとともに、第２セパレータ４０に接触する第１凸部５０を有している。第１凸部５０は、第３方向Ｚにおいて最も外側に位置する外側溝流路３８ａの外側に設けられている。第１凸部５０は、第２方向Ｙにおいて複数並んで設けられている。複数の第１凸部５０の各々は、第１頂壁部５１と、第２方向Ｙにおいて第１頂壁部５１の両側に位置する一対の第１側壁部５２とを有している。一対の第１側壁部５２には、第１方向Ｘにおいて段差形状を有する第１段差部５３が設けられている。
（１－１）第１セパレータ３０は、第１方向Ｘにおいて単セル９０と隣接する他の単セル９０の第２セパレータ４０に向かって突出するとともに、第２セパレータ４０に接触する第１凸部５０を有している。第１凸部５０は、第３方向Ｚにおいて最も外側に位置する外側溝流路３８ａの外側に設けられている。第１凸部５０は、第２方向Ｙにおいて複数並んで設けられている。複数の第１凸部５０の各々は、第１頂壁部５１と、第２方向Ｙにおいて第１頂壁部５１の両側に位置する一対の第１側壁部５２とを有している。一対の第１側壁部５２には、第１方向Ｘにおいて段差形状を有する第１段差部５３が設けられている。
こうした構成によれば、上述した作用を奏する。したがって、冷却媒体の脇流れを抑制できる。
（１－２）複数の第１凸部５０は、第２方向Ｙにおいて外側溝流路３８ａが形成されている範囲の全体にわたって設けられている。
（１－２）複数の第１凸部５０は、第２方向Ｙにおいて外側溝流路３８ａが形成されている範囲の全体にわたって設けられている。
こうした構成によれば、第２方向Ｙにおいて外側溝流路３８ａが形成されている範囲の全体にわたって、上記効果が発揮される。したがって、冷却媒体の脇流れを一層抑制できる。
＜第２実施形態＞
以下、図１及び図４を参照して、燃料電池スタックの第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第２実施形態の燃料電池スタックの構成のうち第１実施形態の燃料電池スタックの構成と同一または対応する構成については同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
以下、図１及び図４を参照して、燃料電池スタックの第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第２実施形態の燃料電池スタックの構成のうち第１実施形態の燃料電池スタックの構成と同一または対応する構成については同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
＜第２凸部６０＞
図１及び図４に示すように、第２セパレータ４０は、第１方向Ｘにおいて複数の第１凸部５０に向かってそれぞれ突出する複数の第２凸部６０を有している。
図１及び図４に示すように、第２セパレータ４０は、第１方向Ｘにおいて複数の第１凸部５０に向かってそれぞれ突出する複数の第２凸部６０を有している。
図１にて二点鎖線で示す第２凸部６０は、一対の外側溝流路４８ａの外側に設けられている。本実施形態では、第２凸部６０は、一対の外側溝流路４８ａの双方の外側に設けられている。
第２凸部６０は、第３方向Ｚに延びている。
第２凸部６０は、第２方向Ｙにおいて互いに間隔をあけて複数並んでいる。複数の第２凸部６０は、第２方向Ｙにおいて外側溝流路４８ａが形成されている範囲の全体にわたって設けられている。本実施形態では、複数の第１凸部５０の各々と第１方向Ｘにおいて対応する位置に、１つずつ第２凸部６０が設けられている。
第２凸部６０は、第２方向Ｙにおいて互いに間隔をあけて複数並んでいる。複数の第２凸部６０は、第２方向Ｙにおいて外側溝流路４８ａが形成されている範囲の全体にわたって設けられている。本実施形態では、複数の第１凸部５０の各々と第１方向Ｘにおいて対応する位置に、１つずつ第２凸部６０が設けられている。
図４に示すように、複数の第２凸部６０の各々は、第２頂壁部６１と、第２方向Ｙにおいて第２頂壁部６１の両側に位置する一対の第２側壁部６２とを有している。
第２頂壁部６１は、第１凸部５０の第１頂壁部５１に接触している。
第２頂壁部６１は、第１凸部５０の第１頂壁部５１に接触している。
第２側壁部６２には、第１方向Ｘにおいて段差形状を有する第２段差部６３が設けられている。本実施形態では、第２段差部６３は、一対の第２側壁部６２の双方に設けられている。
第２段差部６３は、第１方向Ｘにおいて第２側壁部６２の中央に位置している。第２側壁部６２は、第２段差部６３よりも第２頂壁部６１側に位置する部分（以下、先端部６２ａ）と、第２段差部６３よりも第１方向Ｘにおいて第２凸部６０の基端側に位置する部分（以下、基端部６２ｂ）とを有している。
先端部６２ａは、第２方向Ｙにおいて基端部６２ｂよりも第２凸部６０の中央に近づく側に位置している。
次に、第２実施形態の作用について説明する。
次に、第２実施形態の作用について説明する。
第１凸部５０と第２凸部６０とが圧接されると、第１凸部５０のうち相対的に高い第１凸部５０の第１側壁部５２の第１段差部５３と、第２凸部６０のうち相対的に高い第２凸部６０の第２側壁部６２の第２段差部６３とが第１方向Ｘにおいて円滑に撓み変形するようになる。
次に、第２実施形態の効果について説明する。
（２－１）第２セパレータ４０は、第１方向Ｘにおいて複数の第１凸部５０に向かってそれぞれ突出するとともに、複数の第１凸部５０と接触する複数の第２凸部６０を有している。
（２－１）第２セパレータ４０は、第１方向Ｘにおいて複数の第１凸部５０に向かってそれぞれ突出するとともに、複数の第１凸部５０と接触する複数の第２凸部６０を有している。
こうした構成によれば、第２セパレータ４０が第２凸部６０を有していない場合に比べて、第１凸部５０の高さＨを低くできる（図３及び図４参照）。このため、第１凸部５０を容易に形成できる。したがって、第１セパレータ３０を容易に製造することができる。
（２－２）複数の第２凸部６０の各々は、第２頂壁部６１と、第２方向Ｙにおいて第２頂壁部６１の両側に位置する一対の第２側壁部６２とを有している。一対の第２側壁部６２には、第１方向Ｘについて段差形状を有する第２段差部６３が設けられている。
こうした構成によれば、上述した作用を奏する。これにより、第１凸部５０の第１側壁部５２の第１段差部５３及び第２凸部６０の第２側壁部６２の第２段差部６３の双方の撓み変形量を抑えつつ、第１凸部５０と第２凸部６０との間に隙間が形成されることを抑制できる。
（２－３）複数の第２凸部６０は、第２方向Ｙにおいて外側溝流路４８ａが形成されている範囲の全体にわたって設けられている。
こうした構成によれば、第２方向Ｙにおいて外側溝流路４８ａが形成されている範囲の全体にわたって、上記効果が発揮される。したがって、冷却媒体の脇流れをさらに抑制できる。
こうした構成によれば、第２方向Ｙにおいて外側溝流路４８ａが形成されている範囲の全体にわたって、上記効果が発揮される。したがって、冷却媒体の脇流れをさらに抑制できる。
＜変更例＞
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・入口側マニホールド９１，９３，９５及び出口側マニホールド９２，９４，９６の形状は、上記実施形態で例示したような平面視矩形状に限定されず、例えば、平面視長円形状としてもよい。
・マニホールド９１，９２，９３，９４，９５，９６における反応ガス及び冷却媒体の流れは、上記実施形態で例示したものに限定されない。例えば、マニホールド９６を酸化剤ガスの入口側マニホールドとし、マニホールド９５を酸化剤ガスの出口側マニホールドとしてもよい。また、これに伴ってマニホールド９４を冷却媒体の入口側マニホールドとし、マニホールド９３を冷却媒体の出口側マニホールドとしてもよい。すなわち、溝流路４７Ａを流れる酸化剤ガスと、溝流路３８Ａ，４８Ａを流れる冷却媒体とが、溝流路３７Ａを流れる燃料ガスと同方向に流れるようにしてもよい。
・溝流路３７Ａ（３８Ａ）は、上記実施形態で例示したように、第２方向Ｙにおいて直線状に延在するものに限定されない。例えば、溝流路３７Ａ（３８Ａ）は、対向面３０ａ（面３０ｂ）の面方向において波状に延在するものであってもよい。
・溝流路４７Ａ（４８Ａ）は、上記実施形態で例示したように、第２方向Ｙにおいて直線状に延在するものに限定されない。例えば、溝流路４７Ａ（４８Ａ）は、対向面４０ａ（面４０ｂ）の面方向において波状に延在するものであってもよい。
・第１凸部５０の形状は、上記実施形態で例示した形状に限定されない。例えば、第１段差部５３を各第１側壁部５２に対して複数設けるようにしてもよい。また、第１凸部５０は、第１段差部５３が一対の第１側壁部５２の双方に設けられるものに限定されず、第１段差部５３が一対の第１側壁部５２のうちいずれか一方のみに設けられるものであってもよい。
・第２凸部６０の形状は、第２実施形態で例示した形状に限定されない。例えば、第２段差部６３を各第２側壁部６２に対して複数設けるようにしてもよい。また、第２凸部６０は、第２段差部６３が一対の第２側壁部６２の双方に設けられるものに限定されず、第２段差部６３が一対の第２側壁部６２のうちいずれか一方のみに設けられるものであってもよい。
・第２凸部６０から第２段差部６３を省略してもよい。
・第１凸部５０は、上記実施形態で例示したように、一対の外側溝流路３８ａの双方の外側に設けられるものに限定されない。第１凸部５０は、一対の外側溝流路３８ａのうちいずれか一方のみの外側に設けるようにしてもよい。この場合、第２凸部６０は、一対の外側溝流路４８ａの双方の外側に設けられるものに限定されず、その配置を第１凸部５０に合わせて適宜変更すればよい。
・第１凸部５０は、上記実施形態で例示したように、一対の外側溝流路３８ａの双方の外側に設けられるものに限定されない。第１凸部５０は、一対の外側溝流路３８ａのうちいずれか一方のみの外側に設けるようにしてもよい。この場合、第２凸部６０は、一対の外側溝流路４８ａの双方の外側に設けられるものに限定されず、その配置を第１凸部５０に合わせて適宜変更すればよい。
・燃料電池スタックは、第２実施形態で例示したように、複数の第１凸部５０の各々と第１方向Ｘにおいて対応する位置に、１つずつ第２凸部６０が設けられるものに限定されず、第２凸部６０の一部を省略してもよい。この場合、セパレータ３０は、第１方向Ｘにおいて第２凸部６０と対向しない第１凸部５０を含むこととなる。なお、第２凸部６０と対向しない第１凸部５０は、セパレータ４０の第２面４０Ｂと接触するものであればよい。
・セパレータ３０，４０は、金属板材をプレス成形することにより形成されるものに限定されず、例えば切削加工やエッチング加工により成形することもできる。
・セパレータ３０，４０の材料としては、チタンやステンレス鋼に限定されず、アルミニウムやカーボンを用いることもできる。
・セパレータ３０，４０の材料としては、チタンやステンレス鋼に限定されず、アルミニウムやカーボンを用いることもできる。
・本発明に係る第１セパレータは、上記実施形態で例示したようにアノード側のセパレータに限定されず、カソード側のセパレータに適用することもできる。この場合、本発明に係る第２セパレータをアノード側のセパレータに適用すればよい。
Ｈ…高さ
Ｓ…空間
Ｘ…第１方向
Ｙ…第２方向
Ｚ…第３方向
１０…ＭＥＡ
１１…カソード電極
１２…アノード電極
２０…枠部材
２１…貫通孔
２２…貫通孔
２３…貫通孔
２４…貫通孔
２５…貫通孔
２６…貫通孔
２７…開口部
３０…第１セパレータ
３０Ａ…第１面
３０ａ…対向面
３０Ｂ…第２面
３０ｂ…面
３１…貫通孔
３２…貫通孔
３３…貫通孔
３４…貫通孔
３５…貫通孔
３６…貫通孔
３７Ａ…溝流路
３７Ｂ…接続部
３８Ａ…溝流路
３８ａ…外側溝流路
３８Ｂ…接続部
４０…第２セパレータ
４０Ａ…第１面
４０ａ…対向面
４０Ｂ…第２面
４０ｂ…面
４１…貫通孔
４２…貫通孔
４３…貫通孔
４４…貫通孔
４５…貫通孔
４６…貫通孔
４７Ａ…溝流路
４７Ｂ…接続部
４８Ａ…溝流路
４８ａ…外側溝流路
４８Ｂ…接続部
５０…第１凸部
５１…第１頂壁部
５２…第１側壁部
５２ａ…先端部
５２ｂ…基端部
５３…第１段差部
６０…第２凸部
６１…第２頂壁部
６２…第２側壁部
６２ａ…先端部
６２ｂ…基端部
６３…第２段差部
７０…ガスケット
９０…単セル
９１…入口側マニホールド
９２…出口側マニホールド
９３…入口側マニホールド
９４…出口側マニホールド
９５…入口側マニホールド
９６…出口側マニホールド
Ｓ…空間
Ｘ…第１方向
Ｙ…第２方向
Ｚ…第３方向
１０…ＭＥＡ
１１…カソード電極
１２…アノード電極
２０…枠部材
２１…貫通孔
２２…貫通孔
２３…貫通孔
２４…貫通孔
２５…貫通孔
２６…貫通孔
２７…開口部
３０…第１セパレータ
３０Ａ…第１面
３０ａ…対向面
３０Ｂ…第２面
３０ｂ…面
３１…貫通孔
３２…貫通孔
３３…貫通孔
３４…貫通孔
３５…貫通孔
３６…貫通孔
３７Ａ…溝流路
３７Ｂ…接続部
３８Ａ…溝流路
３８ａ…外側溝流路
３８Ｂ…接続部
４０…第２セパレータ
４０Ａ…第１面
４０ａ…対向面
４０Ｂ…第２面
４０ｂ…面
４１…貫通孔
４２…貫通孔
４３…貫通孔
４４…貫通孔
４５…貫通孔
４６…貫通孔
４７Ａ…溝流路
４７Ｂ…接続部
４８Ａ…溝流路
４８ａ…外側溝流路
４８Ｂ…接続部
５０…第１凸部
５１…第１頂壁部
５２…第１側壁部
５２ａ…先端部
５２ｂ…基端部
５３…第１段差部
６０…第２凸部
６１…第２頂壁部
６２…第２側壁部
６２ａ…先端部
６２ｂ…基端部
６３…第２段差部
７０…ガスケット
９０…単セル
９１…入口側マニホールド
９２…出口側マニホールド
９３…入口側マニホールド
９４…出口側マニホールド
９５…入口側マニホールド
９６…出口側マニホールド
Claims (5)
- 発電部と、前記発電部を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータと、を備える単セルを第１方向において複数積層して形成され、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの各々において前記発電部と対向する面とは反対側の面には、第２方向において延在するとともに冷却媒体が流れる複数の溝流路が並んで設けられている燃料電池スタックであって、
前記第１セパレータは、前記第１方向において当該単セルと隣接する他の前記単セルの前記第２セパレータに向かって突出するとともに、前記第２セパレータに接触する第１凸部を有しており、
前記第１凸部は、前記第１方向及び前記第２方向の双方と交差する第３方向において最も外側に位置する前記溝流路の外側に設けられ、前記第２方向において複数並んで設けられており、
複数の前記第１凸部の各々は、頂壁部と、前記第２方向において前記頂壁部の両側に位置する一対の側壁部と、を有しており、
前記一対の側壁部のうち少なくとも一方には、前記第１方向において段差形状を有する段差部が設けられている、
燃料電池スタック。 - 複数の前記第１凸部は、前記第２方向において前記溝流路が形成されている範囲の全体にわたって設けられている、
請求項１に記載の燃料電池スタック。 - 前記第２セパレータは、前記第１方向において複数の前記第１凸部に向かってそれぞれ突出するとともに、複数の前記第１凸部と接触する複数の第２凸部を有している、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。 - 前記頂壁部、前記側壁部、及び前記段差部を、それぞれ第１頂壁部、第１側壁部、及び第１段差部とするとき、
複数の前記第２凸部の各々は、第２頂壁部と、前記第２方向において前記第２頂壁部の両側に位置する一対の第２側壁部と、を有しており、
前記一対の第２側壁部のうち少なくとも一方には、前記第１方向について段差形状を有する第２段差部が設けられている、
請求項３に記載の燃料電池スタック。 - 複数の前記第２凸部は、前記第２方向において前記溝流路が形成されている範囲の全体にわたって設けられている、
請求項３または請求項４に記載の燃料電池スタック。
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2023
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| US20230282841A1 (en) | 2023-09-07 |
| CN116706115A (zh) | 2023-09-05 |
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