JP7036607B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セル、単電池ということもある）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて積層し、そのセル積層体の両端に位置するセルの外側に一対のエンドプレート（プレッシャプレートやターミナルプレート、締結板などともいう）を配置し、セル積層体を一対のエンドプレートで加圧・締結し、その加圧・締結されたセル積層体（以下、燃料電池本体ということがある）をスタックケースに収容して構成される。

この種の燃料電池において、近年では、耐振動性や耐衝撃性を向上させつつ、燃料電池本体を構成するセルの位置ずれ（セルずれ）を防止するために、例えば、燃料電池本体と、燃料電池本体を内側に収容するスタックケースとの間に、介在層（以下、フィリングということがある）としてシリコンゴムやウレタンゴム等の弾性材料を介在させ、この介在層によって燃料電池本体をスタックケースに拘束するものが提案されている。

また、前記した如くの燃料電池本体とスタックケースとの間に介在層を有する燃料電池は、例えば、燃料電池本体（セル積層体）の側面に介在層を配置し、その後、介在層を潰しながらスタックケースに燃料電池本体を挿入する方法などで製造される（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１６－０１２４０８号公報

ところで、この種の燃料電池においては、前記したセル積層体を加圧・挟持するエンドプレートとして、当該セル積層体より平面方向の面積（積層方向で視たときの投影面積）が大きいエンドプレートを設ける場合がある。また、製造上の要件などにより、上記特許文献１に所載のものとは異なり、予めスタックケースの内面にフィリング（介在層）を貼り付けることが想定される。この場合、燃料電池の分解時に、エンドプレートがフィリングに引っ掛り、セル積層体に大きな応力が加わるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の分解時にセル積層体に加わる負荷を低減する燃料電池を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池は、底部を有する筒状のスタックケースと、前記スタックケースに挿入されるセル積層体と、前記スタックケースの内周面に設けられ、前記スタックケースに挿入された前記セル積層体を加圧するフィリングと、を備え、前記セル積層体の前記底部と対向する位置には、挿入方向で視たときの面積が前記セル積層体より大きいエンドプレートが設けられ、前記エンドプレートの外周端面には、前記底部側とは逆方向に向けて先細となるテーパ面が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、エンドプレートの外周端面に設けられたテーパ面によって、セル積層体を加圧するフィリングを徐々に潰しながらセル積層体をスタックケースから引き抜くことができ、燃料電池の分解時にセル積層体に加わる負荷を低減することができる。

本発明による燃焼電池の一実施形態の断面図である。 図１に示される燃料電池（燃料電池スタック）の要部断面図である。 図１に示される燃料電池の分解斜視図である。 図１に示される燃料電池の製造時の要部拡大断面図である。 図１に示される燃料電池の分解時の要部拡大断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

［燃料電池（燃料電池スタック）の構成］
図１は、本発明による燃焼電池の一実施形態の断面図である。また、図２は、図１に示される燃料電池（燃料電池スタック）の要部断面図である。

図示実施形態の燃料電池１００は、基本的に、燃料電池本体１０と、燃料電池本体１０を内側に収容するスタックケース２５と、燃料電池本体１０とスタックケース２５との間に配在される介在層としてのフィリング３０とを備える。

まず、本発明による燃料電池（燃料電池スタック）１００として固体高分子型燃料電池を例にとり、図２を参照してその内部構成を概説する。

図２は、燃料電池（燃料電池スタック）１００の燃料電池本体１０の要部を断面視した図である。図２に示すように、燃料電池本体１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている（セル積層体９）。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１００（の燃料電池本体１０）の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１００（の燃料電池本体１０）の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

また、隣接する２つのセル１の端部間には、燃料ガス（例えば水素）または酸化剤ガス（例えば空気）や冷却用の水をシールするシール部材としてのガスケット（不図示）が挟圧保持されている。

燃料電池本体１０は、図１に示すように、主に、前記したセル積層体９と一対のエンドプレート１１、１２とを備える。

一対のエンドプレート１１、１２は、セル積層体９の両端（セル積層方向両端）に位置するセル１の外側に配置され、前記燃料電池本体１０は、セル積層体９を一対のエンドプレート１１、１２で所定面圧で挟まれ（拘束され）、さらにこれらエンドプレート１１、１２同士を繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重が付与（加圧）されて締結される。セル積層体９等を積層状態で拘束するテンションプレートは、両エンドプレート１１、１２間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該燃料電池本体１０の両側に対向するように配置される。テンションプレートは、各エンドプレート１１、１２に接続され、セル積層体９の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。

本例では、セル積層方向（後述するスタックケース２５への挿入方向）に垂直な方向において、スタックケース２５への挿入側（スタックケース２５の底部２６ｂと対向する位置）に配置されたエンドプレート１１の幅がセル積層体９の最大幅より大きく、かつ、挿入方向で視たときのエンドプレート１１の面積（外形）がセル積層体９の面積（外形）より大きく設計されている。また、そのエンドプレート１１のスタックケース２５への挿入側の端部外周（言い換えれば、エンドプレート１１の外周端面１１ａにおけるスタックケース２５の底部２６ｂ側）に、先端側（スタックケース２５への挿入方向）に向けて先細（幅狭）となる円錐台面からなるテーパ面１１ｔが設けられるともに、エンドプレート１１の外周端面１１ａにおけるセル積層体９側に、底部２６ｂ側とは逆方向に向けて先細（幅狭）となる円錐台面からなるテーパ面１１ｓが設けられている（後で詳述）。

スタックケース２５は、ケース本体２６と蓋体２７とを備える。なお、本例では、前記した一対のエンドプレート１１のうちスタックケース２５への挿入側とは反対側に配置されたエンドプレート１２に蓋体２７が一体に形成されている。言い換えれば、エンドプレート１２が蓋体２７を兼ねている。

ケース本体２６は、一端が開口した底部２６ｂ付きの角筒状を有する。詳しくは、燃料電池本体１０を内側に収容するための空隙を有する概略矩形状ないし箱状の外観形状を備え、ケース本体２６を構成する一面が開口（挿入開口）２６ａとなっており、その開口２６ａがエンドプレート１２と一体とされた蓋体２７で閉塞・封止されて、前記燃料電池本体１０を圧縮状態で収容する。

フィリング３０は、燃料電池本体１０（のセル積層体９）におけるセル積層方向に沿った側面（外周面）とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間に配置されている。

本例では、前記フィリング３０は、例えば略矩形状を有し、セル積層方向の断面（図１に示される断面）で視たときに、燃料電池本体１０の側面（セル積層方向に沿った側面）およびスタックケース２５の内周面の対向する位置に配設されるとともに、燃料電池本体１０の側面（セル積層方向に沿った側面）に沿って間隔をあけて複数個（図示例では、３個）に分けて配列されている。このように、フィリング３０が二つ以上かつ各々対向して設置されることで、燃料電池本体１０（のセル積層体９）に作用する剪断歪みや回転モーメントを抑制することができる。

なお、前記フィリング３０は、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面の対向する位置に配設されていれば、その形状や大きさ、配置箇所等は、図示例に限られないことは勿論である。例えば、セル積層方向の断面で視たときに、燃料電池本体１０におけるセル積層方向に沿った側面の一端から他端に亘って（つまり、間隔をあけずに連続的に）配置してもよい。

前記フィリング３０は、シリコンゴムやウレタンゴム等の柔軟性および絶縁性を有する弾性材料で形成され、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の対向する内周面に付設されており、燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容（挿入）される前の状態において（すなわち、フィリング３０に対する荷重ゼロの状態において）、前記対向するフィリング３０同士の最小間隔は、当該フィリング３０に対向する燃料電池本体１０のセル積層体９の最大幅より小さく設計されている。燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容（挿入）されたときに、前記フィリング３０は燃料電池本体１０（のエンドプレート１１）で弾性的に圧縮変形され（潰され）（図４参照）、その後、前記フィリング３０が弾性的に（言い換えれば、その復元力により）膨らんで燃料電池本体１０の各セル１の凹凸等に合わせて燃料電池本体１０との隙間を埋め、燃料電池本体１０の側面とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間で圧縮状態で狭圧保持される。このフィリング３０の弾性によって、燃料電池本体１０のセル積層体９がスタックケース２５に拘束され、耐振動性や耐衝撃性が向上するとともに、燃料電池本体１０を構成するセル１の位置ずれ（特に、積層方向に垂直な方向の位置ずれ）が抑止される。

なお、前記フィリング３０は、ポロプロピレン等の袋体に封入され、充填後にその袋体の内部で硬化して、前記した拘束機能等を発揮し得るものでもよい。

［燃料電池（燃料電池スタック）の製造方法および分解方法］
前記した燃料電池（燃料電池スタック）１００を製造するに当たっては、まず、前記したセル１を所定間隔（例えば、約2mmピッチ）で複数枚積層するとともに、隣接する２つのセル１間に、シール用のガスケットを配置して、セル積層体９を形成する。

次に、セル積層体９の両端に位置するセル１の外側に前記一対のエンドプレート１１、１２を配置し、前記エンドプレート１１、１２およびテンションプレート等を利用して、前記セル積層体９を（セル１の）積層方向に加圧（荷重を付与）し、各セル１のガス拡散層７、７を圧縮変形させ、各セル１間の間隔を（例えば、約2mmピッチから約1mmピッチまで）狭めて、燃料電池本体１０を形成する。

次いで、前記したフィリング３０を（例えば接着等により）配置固定したケース本体２６を用意し、前記エンドプレート１１、１２およびテンションプレート等により加圧されて保持された燃料電池本体１０を、前記エンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）側からケース本体２６の開口（挿入開口）２６ａを通してその内部に内挿し（図３参照）、エンドプレート１２と一体とされた蓋体２７をケース本体２６の開口２６ａに締結して、前記燃料電池本体１０をスタックケース２５に封入する。

ここで、前記したように、燃料電池本体１０のスタックケース２５への挿入前の状態において、スタックケース２５の対向する内周面に付設されたフィリング３０同士の最小間隔、セル積層体９の最大幅、およびエンドプレート１１の幅は、その順で大きくなるように設計されているので、燃料電池本体１０をスタックケース２５のケース本体２６に挿入する（押し込む）と、エンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）がフィリング３０に衝接し、そのフィリング３０を潰しながら（圧縮弾性変形させながら）燃料電池本体１０がケース本体２６に内挿されていく（図４参照）。エンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）がフィリング３０を潰しながら通過した後、フィリング３０は、その後にその復元力（弾性力）により徐々に膨らんで初期厚みに戻っていくが、初期厚さを回復することなく圧縮状態で燃料電池本体１０（のセル積層体９）の側面とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間に配置される。

これにより、前記したセル拘束用のフィリング３０が設けられた燃料電池１００が製造されることになる。

また、前記した燃料電池（燃料電池スタック）１００を分解するに当たっては、蓋体２７の締結を解いて、燃料電池本体１０をケース本体２６の開口（挿入開口）２６ａを通して引き抜く。このとき、エンドプレート１１の外周端面１１ａに設けられたテーパ面（底部２６ｂ側とは反対側のセル積層体９側に設けられたテーパ面）１１ｓが（圧縮状態の）フィリング３０に衝接し、そのフィリング３０を潰しながら燃料電池本体１０がケース本体２６から取り出されることになる（図５参照）。

なお、この場合、スタックケース２５（のケース本体２６）への挿入時の送り速度は、工程のサイクルタイムにより決まっているが、分解時の送り速度は特に制約がないため、テーパ面１１ｓの（セル積層方向に対する）テーパ角θｓを、テーパ面１１ｔの（セル積層方向（挿入方向）に対する）テーパ角θｔより大きく設定することができる。例えば、そのテーパ角θｓを、テーパ角θｔより大きく、45°以下に設定することができる（特に、図４および図５参照）。

このように、本実施形態では、エンドプレート１１の外周端面１１ａに設けられたテーパ面１１ｓによって、燃料電池本体１０のセル積層体９を加圧するフィリング３０を徐々に潰しながら燃料電池本体１０のセル積層体９をスタックケース２５から引き抜くことができ、燃料電池１００の分解時にフィリング３０とエンドプレート１１との引っ掛かりを回避して燃料電池本体１０のセル積層体９に加わる負荷を低減することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…セル（燃料電池セル）、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、８…ガスケット、９…セル積層体、１０…燃料電池本体、１１…エンドプレート（挿入側、底部側）、１１ａ…外周端面、１１ｓ…テーパ面（挿入側、底部側とは反対側）、１１ｔ…テーパ面（挿入側、底部側）、１２…エンドプレート（挿入側、底部側とは反対側）、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間、２５…スタックケース、２６…ケース本体、２６ａ…開口（挿入開口）、２６ｂ…底部、２７…蓋体、３０…フィリング、１００…燃料電池（燃料電池スタック）

Claims (2)

1. 底部を有する筒状のスタックケースと、
   前記スタックケースに挿入されるセル積層体と、
   前記スタックケースの対向する内周面に付設され、前記スタックケースに挿入された前記セル積層体を加圧するフィリングと、を備え、
   前記セル積層体の前記底部と対向する位置には、挿入方向で視たときの面積が前記セル積層体より大きいエンドプレートが設けられ、
   前記エンドプレートの外周端面には、前記底部側とは逆方向に向けて先細となるテーパ面が設けられている、燃料電池。
2. 前記エンドプレートの外周端面における前記セル積層体側に、前記テーパ面が設けられ、
   前記エンドプレートの外周端面における前記底部側に、挿入方向に向けて先細となる別途のテーパ面が設けられ、
   前記テーパ面のセル積層方向に対するテーパ角が、前記別途のテーパ面のセル積層方向に対するテーパ角より大きい、請求項１に記載の燃料電池。

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