JP5412804B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、単セルを積層した燃料電池スタックの構造に関する。

従来から、水素等のアノードガスと空気等のカソードガスを反応ガスとして、電気化学反応によって化学エネルギを直接電気エネルギに変換する燃料電池が広く知られている。

特許文献１には、電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極を配置した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という。）と、ＭＥＡの両側に配置されるセパレータとを備えた単セルを、複数積層して構成される固体高分子電解質型の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では、燃料電池スタック外周に絶縁性の樹脂部材を形成することで、積層した単セルを接合するとともに外部との絶縁を確保する。
特開２００６−９２９２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、複数の単セルと樹脂部材とが一体成型されるので、ＭＥＡの電解質膜が膨潤して燃料電池スタックが単セル積層方向（以下「積層方向」という。）に膨張した場合に、燃料電池スタックの変位に樹脂部材が追従できず、樹脂部材に亀裂が生じるおそれがある。樹脂部材に亀裂が生じると、ＭＥＡ内で生じた水蒸気が燃料電池スタック内から外部に漏れ出て、液絡等が発生し、燃料電池スタックの絶縁性能が悪化する可能性がある。

そこで、本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、絶縁性能の悪化を抑制することができる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、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、膜電極接合体を有する単セルを複数積層した燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、膜電極接合体の外周に沿って一体形成され、電気絶縁性を有する一部材として構成された絶縁部材と、隣接する単セルにおいて絶縁部材同士を接合し、燃料電池スタック変位に追従して変形可能な接着部材と、単セル積層方向に沿って延び、絶縁部材の外側面に接した状態で前記単セルを挟むように配置される一対のタイロッドと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、膜電極接合体の電解質膜が膨潤しても、積層方向の燃料電池スタック変位に絶縁部材が追従するように接着部材が変形するので、絶縁部材に亀裂が生じるのを抑制できる。したがって、燃料電池スタック内において生じた水蒸気が外部に漏れ出ることがなく、液絡の発生を抑えることができ、燃料電池スタックの絶縁性能の悪化を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するシステムである。燃料電池システムは、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガスを供給し、カソード電極に酸素を含有するカソードガスを供給する。これにより、アノード電極及びカソード電極の電解質膜側の表面で生じる以下の電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。

アノード反応：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード反応：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）

図１は、このような燃料電池システムとして、自動車等の移動車両に用いられる燃料電池スタック１００を示す。

燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０と、一対の集電板２０と、一対の絶縁板３０と、一対のエンドプレート４０と、図示しないテンションロッドに螺合するナット５０とを有する。

単セル１０は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１０が複数積層されて、燃料電池スタック１００が構成される。単セル１０の詳細な構成については、図２を参照して後述する。

一対の集電板２０は、積層された複数の単セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電板２０は、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば緻密質カーボンによって形成される。集電板２０には、上辺の一部に出力端子２１を形成する。燃料電池スタック１００は、これら出力端子２１を介して、各単セル１０で生じた電子ｅ−を出力する。

一対の絶縁板３０は、集電板２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁板３０は、絶縁性のゴム等で形成される。

一対のエンドプレート４０は、絶縁板３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性を備える金属材料や樹脂材料で形成される。エンドプレート４０のうち、一方のエンドプレート４０には、冷却水入口孔４１Ａと、冷却水出口孔４１Ｂと、アノードガス入口孔４２Ａと、アノードガス出口孔４２Ｂと、カソードガス入口孔４３Ａと、カソードガス出口孔４３Ｂとが形成される。

ナット５０は、一対のエンドプレート４０の外側であって、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。ナット５０は、燃料電池スタック１００の内部を貫通するテンションロッドの両端に螺合する。燃料電池スタック１００はテンションロッドとナット５０とによって積層方向に締め付けられる。テンションロッドは、単セル１０同士の電気短絡を防止するため、その表面に絶縁処理が施されている。

なお、燃料電池スタック１００は、テンションプレートを介して積層方向に締め付けられるように構成してもよい。

次に図２を参照して、単セル１０の構成について説明する。

図２は、隣接する単セル１０の積層方向の一部断面を示す図である。

単セル１０は、ＭＥＡ６０と、ＭＥＡ６０を挟むように配置されるアノードセパレータ７１及びカソードセパレータ７２と、ＭＥＡ６０に一体形成される絶縁部材８０とを備える。

ＭＥＡ６０は、電解質膜６１と、電解質膜６１の一方の面に配置されるアノード電極６２と、電解質膜６１の他方の面に配置されるカソード電極６３とからなる積層体として構成される。

電解質膜６１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜６１は、アノード電極６２及びカソード電極６３よりも外形が大きく、アノード電極６２及びカソード電極６３が配置されない外縁部６１Ａを有する。電解質膜６１は湿潤状態で良好な電気伝導性を示すので、燃料電池スタック１００ではアノードガスやカソードガスを加湿する。

アノード電極６２は、電解質膜６１側から、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂等からなる撥水層と、カーボンクロス等からなるガス拡散層とが配置された積層体として構成される。

カソード電極６３もアノード電極６２と同様に、電解質膜６１側から、電極触媒層と、撥水層と、ガス拡散層とが配置された積層体として構成される。

アノードセパレータ７１は、金属等の導電性材料で形成された凹凸状の板部材であり、外形がＭＥＡ６０よりも大きく形成される。アノードセパレータ７１は、アノード電極６２と接する側の面に、アノード電極６２にアノードガスを供給するためのアノードガス流路７１Ａを形成する。アノードセパレータ７１は、アノード電極６２と接する側とは反対側の面に、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水を流す冷却水流路７１Ｂを形成する。

カソードセパレータ７２は、金属等の導電性材料で形成された凹凸状の板部材であり、外形がＭＥＡ６０よりも大きく形成される。カソードセパレータ７２は、カソード電極６３と接する側に、カソード電極６３にカソードガスを供給するためのカソードガス流路７２Ａを形成する。カソードセパレータ７２は、カソード電極６３と接する側とは反対側の面に、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水を流す冷却水流路７２Ｂを形成する。

なお、隣接する単セル１０において、一方の単セル１０のアノードセパレータ７１と他方の単セル１０のカソードセパレータ７２とに設けられたそれぞれの冷却水流路７１Ｂ、７２Ｂは互いに向き合うように構成されており、これら冷却水流路７１Ｂ、７２Ｂによって１つの冷却水流路７３が形成される。

絶縁部材８０は、電気絶縁性を有する樹脂からなり、ＭＥＡ６０の外周に沿って形成される枠体である。絶縁部材８０は、ＭＥＡ６０の外周に一体形成される枠部８１と、枠部８１から積層方向に突出する突出部８２とを備える。

絶縁部材８０の枠部８１には、電解質膜６１の外縁部６１Ａを挿入するための切欠き８３が形成される。枠部８１は、単セル１０のアノードセパレータ７１とカソードセパレータ７２とによって挟まれ、接着部材９０を介してアノードセパレータ７１及びカソードセパレータ７２とに接着される。

絶縁部材８０の突出部８２は、枠部８１の端部から積層方向の両側（図中上下方向）に向かって張り出すように形成される。隣接する２つの単セル１０において、一方の単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２と他方の単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２とは、接着部材９０を介して接着される。

絶縁部材８０同士の間に充填される接着部材９０及び絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２との間の接着する接着部材９０は、硬化したときのヤング率が絶縁部材８０よりも小さくなる接着剤が用いられる。接着部材９０のヤング率は、２０ＭＰａ以下であることが望ましい。

このように燃料電池スタック１００は、単セル１０の外周を覆う絶縁部材８０を備えるので、外部との絶縁を確保することができる。

なお、単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２の積層方向厚さｔ₁は、図３（Ａ）に示すように、単セル１０の積層方向厚さｔ₂よりも薄くなるように設定される。ここで、単セル１０の積層方向厚さｔ₂は、積層方向における、ＭＥＡ６０の厚さ、アノードセパレータ７１の厚さ、及びカソードセパレータ７２の厚さの総和として表わされる。例えば、絶縁部材８０の突出部８２の積層方向厚さｔ₁が単セル１０の積層方向厚さｔ₂よりも厚い場合には、図３（Ｂ）に示すように、隣接する単セル１０の絶縁部材８０同士が干渉するので、単セル１０同士の接触圧力が低下し、発電性能が悪化してしまう。本実施形態では、突出部８２の積層方向厚さｔ₁を単セル１０の積層方向厚さｔ₂よりも薄く設定するので、隣接する単セル１０の絶縁部材８０同士において干渉が生じず、発電性能が悪化することがない。

図４は、ＭＥＡ内で生じる水蒸気に対する燃料電池スタックのシール性について説明する図である。図４（Ａ）は本実施形態の燃料電池スタック１００の場合を示し、図４（Ｂ）は比較例としての燃料電池スタック２００の場合を示す。

図４（Ｂ）に示す燃料電池スタック２００では、単セル１０の電解質膜６１の外縁部６１Ａを挟むように絶縁部材８０が設けられ、電解質膜６１の外周端が外部に露出する。そのためＭＥＡ６０内において生じた水蒸気は、矢印Ａに示すように、電解質膜６１と絶縁部材８０との間を通って外部に放出されやすい。また、燃料電池スタック２００では、絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２との間にゴム製のガスケット７４が配置されるが、ゴム製のガスケット７４は水蒸気を透過しやすいので、ＭＥＡ６０内で生じた水蒸気は、矢印Ｂに示すように、絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２との間を通って外部に漏れ出るおそれがある。

これに対して、図４（Ａ）に示す本実施形態の燃料電池スタック１００では、単セル１０の電解質膜６１の外縁部６１Ａを絶縁部材８０の枠部８１の切欠き８３に挿入し、さらに枠部８１と各セパレータ７１、７２とを接着部材９０によって接着するので、ＭＥＡ６０内で生じた水蒸気が絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２との間を通過することが抑制される。また、燃料電池スタック１００では、隣接する単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２同士の間に接着部材９０を充填しており、絶縁部材８０と接着部材９０とによって燃料電池スタック１００内と外部とが隔てられるので、水蒸気が絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２との間を僅かに通過した場合であっても、この水蒸気が外部に漏れ出ることがない。

ところで、燃料電池発電時においてはＭＥＡ６０の電解質膜６１が膨潤して、燃料電池スタック１００が積層方向に膨張する。図５は、燃料電池スタックが積層方向に膨張した時の単セルの絶縁部材の様子を説明する図である。

図５（Ｃ）は、燃料電池スタック１００に対する比較例であって、隣接する単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２同士を、絶縁部材８０よりもヤング率が高い接着部材９０で接続した燃料電池スタック３００を示す。図５（Ｄ）は、燃料電池スタック１００に対する比較例であって、各単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２同士を一体形成した燃料電池スタック３００を示す。図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）に示した燃料電池スタック３００では、発電時等における積層方向の燃料電池スタック変位に絶縁部材８０や接着部材９０が追従できず、図５（Ｅ）に示すように絶縁部材８０の突出部８２等に亀裂が生じるおそれがある。

これに対して、燃料電池スタック１００では、図５（Ａ）に示すように隣接する単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２同士をヤング率が低い接着部材９０で接着する。図５（Ｂ）に示す通り、接着部材９０は積層方向の燃料電池スタック変位に絶縁部材８０が追従するように変形するので、絶縁部材８０に亀裂が生じるのを抑制できる。

以上により、本実施形態の燃料電池スタック１００では下記の効果を得ることができる。

燃料電池スタック１００では、隣接する単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２同士の間に接着部材９０を充填する。ＭＥＡ６０の電解質膜６１が膨潤しても、積層方向の燃料電池スタック変位に絶縁部材８０が追従するように接着部材９０が変形するので、絶縁部材８０に亀裂が生じるのを抑制できる。したがって、燃料電池スタック１００内において生じた水蒸気が外部に漏れ出ることがなく、液絡の発生を抑えることができ、燃料電池スタック１００の絶縁性能の悪化を抑制できる。

燃料電池スタック１００では絶縁部材８０の枠部８１をＭＥＡ６０の外周に一体形成するので、図４（Ｂ）に示したような電解質膜６１の外縁部６１Ａを挟み込む構成の燃料電池スタック２００と比べ、電解質膜６１が膨潤する領域を狭くすることができる。したがって、燃料電池スタック１００では、電解質膜６１の膨潤に起因する積層方向の燃料電池スタック変位を燃料電池スタック２００よりも低減でき、絶縁部材８０に亀裂が生じるのをより抑制することが可能となる。

燃料電池スタック１００では、隣接する単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２同士の間に接着部材９０を充填することで、燃料電池スタック１００内と外部とを隔てるので、ＭＥＡ６０内で生じた水蒸気が燃料電池スタック１００内から外部に漏れ出ることがない。また、燃料電池スタック１００では、単セル１０の電解質膜６１の外縁部６１Ａを絶縁部材８０の枠部８１の切欠き８３に挿入し、さらに絶縁部材８０の枠部８１と各セパレータ７１、７２とを接着部材９０によって接着するので、ＭＥＡ６０内で生じた水蒸気が絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２との間を通過することが抑えられる。このようにガスケット等を設けることなく水蒸気が外部に放出されるのを抑えられるので、部品点数の削減や燃料電池スタック１００の小形化を実現できる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の一部断面を示す図である。

第２実施形態の燃料電池スタック１００は、第１実施形態とほぼ同様であるが、単セル１０の積層状態を保持する点において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

燃料電池スタック１００は、絶縁部材８０を備えた単セル１０を複数積層して構成され、エンドプレート４０を介して積層された単セル１０を積層方向に挟み込むので、積層方向に直交する方向の剛性が積層方向の剛性よりも低くなる。そのため燃料電池スタック１００では、積層方向に直交する方向に外部から入力があった場合に、単セル１０が積層方向に直交する方向に移動することがある。単セル１０の移動が大きいと、単セル１０の移動に絶縁部材８０や接着部材９０が追従できず、絶縁部材８０や接着部材９０に亀裂が生じることがある。

そこで、燃料電池スタック１００は、図６に示すように一対のタイロッド８４によって単セル１０の移動を規制する。

タイロッド８４は、積層される単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２の外周面に沿うように積層方向に亘って形成される棒状部材であり、エンドプレート４０に固定される。一対のタイロッド８４は、互いに対向し、絶縁部材８０の外側から単セル１０を挟むように配置される。

第２実施形態の燃料電池スタック１００では、積層された単セル１０の外側に積層方向に延びるタイロッド８４を一対配置するので、積層方向に直交する方向に外部から入力があった場合でも、単セル１０が積層方向に直交する方向に移動することを抑えることができる。積層方向に直交する方向への単セル１０の移動が抑制されれば、単セル１０の移動に応じて絶縁部材８０が追従するように接着部材９０が変形するので、絶縁部材８０や接着部材９０に亀裂が生じるのを抑制できる。したがって、燃料電池スタック１００内において生じた水蒸気が外部に漏れ出ることがなく、液絡の発生を抑えることができ、燃料電池スタック１００の絶縁性能の悪化を抑制できる。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の一部断面を示す図である。

第３実施形態の燃料電池スタック１００は、第１実施形態とほぼ同様であるが、単セル１０に設けられる絶縁部材８０の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

第３実施形態では、単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２は、枠部８１の端部から積層方向の一方側（図中上方向）に突出するように形成される。隣接する２つの単セル１０において、一方の単セル１０の絶縁部材８０の突出部８２と他方の単セル１０の絶縁部材８０の枠部８１の端部との間には、燃料電池スタック変位を吸収するための接着部材９０が充填される。

第３実施形態の燃料電池スタック１００においても、積層方向の燃料電池スタック変位に絶縁部材８０が追従するように接着部材９０が変形するので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、燃料電池スタック１００では、燃料電池スタック変位に応じて変形する接着部材９０が、第１実施形態と比べて、アノードセパレータ７１やカソードセパレータ７２の端部から積層方向に離れた位置に設けられる。したがって、燃料電池スタック変位に絶縁部材８０が追従するように接着部材９０が変形しても、絶縁部材８０と各セパレータ７１、７２の端部とが衝突するのを回避することができ、絶縁部材８０に亀裂が生じるのを抑制することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、第１実施形態から第３実施形態においては、複数の単セル１０を積層して一度に燃料電池スタック１００を組み立てるように構成しているが、数個の単セル１０を予め積層してセルモジュールとしておき、セルモジュールを複数重ね合わせて燃料電池スタック１００を構成するようにしてもよい。このように構成すれば、組み立て工数を低減することができる。

第１実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。 隣接する単セルの積層方向の一部断面を示す図である。 単セルの積層方向厚さと、絶縁部材の突出部の積層方向厚さとの関係を示す図である。 ＭＥＡ内で生じる水蒸気に対する燃料電池スタックのシール性について説明する図である。 燃料電池スタックが積層方向に膨張した時の単セルの絶縁部材の様子を説明する図である。 第２実施形態の燃料電池スタックにおける単セルの積層方向の一部断面を示す図である。 第３実施形態の燃料電池スタックにおける単セルの積層方向の一部断面を示す図である。

符号の説明

１００ 燃料電池スタック
１０ 単セル
６１ 電解質膜
６１Ａ 外縁部
６２ アノード電極
６３ カソード電極
７１ アノードセパレータ
７２ カソードセパレータ
８０ 絶縁部材
８１ 枠部
８２ 突出部
８３ 切欠き
８４ タイロッド
９０ 接着部材

Claims (9)

1. 膜電極接合体を有する単セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、
   前記膜電極接合体の外周に沿って一体形成され、電気絶縁性を有する一部材として構成された絶縁部材と、
   隣接する単セルにおいて前記絶縁部材同士を接合し、燃料電池スタック変位に追従して変形可能な接着部材と、
   単セル積層方向に沿って延び、前記絶縁部材の外側面に接した状態で前記単セルを挟むように配置される一対のタイロッドと、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記絶縁部材は、前記膜電極接合体の外周に沿って一体形成される枠部と、前記枠部から単セル積層方向に突出する突出部とを備え、
   前記接着部材は、隣接する単セルにおいて前記絶縁部材同士を接合するように前記突出部に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記突出部は、単セル積層方向の両側に向かって突出し、
   前記接着部材は、隣接する単セルの前記突出部同士の間に充填される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記突出部は、単セル積層方向の一方側に向かって突出し、
   前記接着部材は、隣接する単セルの前記突出部と前記枠部との間に充填される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記突出部の単セル積層方向厚さは、前記膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に配置される一対のセパレータとの単セル積層方向厚さの和よりも小さくなるように設定される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
6. 前記枠部は、枠部内側端に前記膜電極接合体の電解質膜の外縁部を挿入する切欠きを形成する、
   ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
7. 前記枠部は、前記膜電極接合体の外側に配置される一対のセパレータにセパレータ接着部材を介して接合される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
8. 前記セパレータ接着部材は、硬化したときのヤング率が前記絶縁部材よりも小さくなる接着剤である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記接着部材は、硬化したときのヤング率が前記絶縁部材よりも小さくなる接着剤である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。