JP2023159639A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層体のシール性の低下を長期間にわたって抑制することが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、発電部１１を有する単セル９０が複数積層されたセル積層体１０と、単セル９０の第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の両側に位置する２つのエンドプレートとを備えている。また、燃料電池スタックは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０とエンドプレートとの間に位置するとともに、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の一側に設けられる積層弾性体６０Ａを備えている。積層弾性体６０Ａは、第１方向Ｘにおいて剛性板６７と弾性ゴム層６８とが交互に積層されて形成されており、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域の全体にわたって設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

特許文献１には、燃料電池のセルスタック構造が開示されている。特許文献１に記載のセルスタック構造は、セルスタックと、第１プレートと、第２プレートと、第３プレートと、伸縮部材とを有している。セルスタックは、単セルが上下方向に複数積層されることにより構成されている。単セルは、膜電極接合体と称される発電部と、発電部を上下方向の両側から挟持する一対のセパレータとを有している。第１プレートは、セルスタックの上面から上方に離間して配置されている。第２プレートは、セルスタックの上面に隣接して配置されている。第３プレートは、セルスタックの下面に隣接して配置されている。第１プレートと第２プレートとの間には、上下方向に沿って伸縮可能である伸縮部材が配置されている。伸縮部材は、第１プレートと第２プレートとの間において、圧縮された状態で配置されるとともに、等間隔で複数個配置されている。伸縮部材は、第２プレートを介して、セルスタックに対して面圧を印加する。これにより、例えば発電開始時における内圧の上昇によってセルスタックが熱膨張しても、伸縮部材によって面圧が印加されることで、セルスタックを構成する単セル間のシール性が低下することが抑制される。

特開２０２１－１１１５７３号公報

ところで、特許文献１に記載のセルスタック構造の場合、複数の伸縮部材が等間隔に配置されているため、第２プレートにおいて、伸縮部材が配置されている部分と、伸縮部材が配置されていない部分とでは、セルスタックに印加される面圧がばらつく。このため、単セル間のシール性の低下を抑制する上では改善の余地がある。

上記課題を解決するための燃料電池スタックは、発電部を有する単セルが複数積層されて形成されたセル積層体と、前記単セルの積層方向において前記セル積層体の両側に位置する２つのエンドプレートと、前記積層方向において前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に位置するとともに、前記積層方向において前記セル積層体の少なくとも一側に設けられる積層弾性体と、を備え、前記積層弾性体は、前記積層方向において剛性板と弾性ゴム層とが交互に積層されて形成されており、前記積層方向において前記発電部と重なる領域の全体にわたって設けられている。

同構成によれば、積層弾性体により、セル積層体に対して積層方向において発電部と重なる領域の全体にわたって面圧が印加されるようになる。これにより、セル積層体のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを抑制できる。

また、上記構成によれば、面圧を印加する部材が弾性ゴムのみにより形成される場合と比べて、各弾性ゴム層の厚みの総和を小さくできる。これにより、セル積層体の熱膨張によって弾性ゴム層が圧縮された状態が継続した際に弾性ゴム層のクリープ変形が発生しても、クリープ変形量の総和を低減できる。このため、積層弾性体により印加される面圧が低下することを抑制できる。

したがって、セル積層体のシール性の低下を長期間にわたって抑制することができる。

図１は、一実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。 図２は、図１の燃料電池スタックを構成するセル積層体及び積層弾性体の分解斜視図である。 図３は、図１の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。 図４（ａ）は、圧縮荷重が作用していない自然状態の積層弾性体を中心とした断面図であり、図４（ｂ）は、圧縮荷重が作用している組付状態の積層弾性体を中心とした断面図である。 図５は、変更例の積層弾性体の断面図である。

以下、図１～図４を参照して、燃料電池スタックの一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。

図１に示すように、燃料電池スタックは、セル積層体１０と、２つの積層弾性体６０Ａ，６０Ｂと、２つのエンドプレート７０Ａ，７０Ｂと、ケース８０とを有している。
＜セル積層体１０＞
図２に示すように、セル積層体１０は、単セル９０が複数積層されて形成されている。

図３に示すように、単セル９０は、膜電極接合体１１（Membrane Electrode Assembly（ＭＥＡ）、以下、発電部１１）と、発電部１１を囲む電気絶縁性のシート部材２０とを有している。また、単セル９０は、発電部１１及びシート部材２０を挟持するカソード側セパレータ５０及びアノード側セパレータ３０を有している。

図２及び図３に示すように、単セル９０は、全体として長方形板状である。
なお、以降では、複数の単セル９０の積層方向を第１方向Ｘとして説明する。
また、単セル９０の長辺の延在方向及び短辺の延在方向を、それぞれ第２方向Ｙ及び第３方向Ｚとして説明する。

単セル９０は、燃料ガス、冷却媒体、及び酸化剤ガスを単セル９０内にそれぞれ導入するための導入孔９１，９３，９５と、単セル９０内の燃料ガス、冷却媒体、及び酸化剤ガスをそれぞれ外部へ導出するための導出孔９２，９４，９６とを有している。

導入孔９１，９３，９５及び導出孔９２，９４，９６は、単セル９０を第１方向Ｘに貫通している。導入孔９１及び導出孔９４，９６は、第２方向Ｙにおける単セル９０の一側（図２の左右方向における左側）に設けられている。導入孔９１及び導出孔９４，９６は、第３方向Ｚにおいて互いに間隔をあけて順に並んでいる。導出孔９２及び導入孔９３，９５は、第２方向Ｙにおける単セル９０の他側（図２の右側）に設けられている。導出孔９２及び導入孔９３，９５は、第３方向Ｚにおいて互いに間隔をあけて順に並んでいる。

＜発電部１１＞
図３に示すように、発電部１１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１１Ａ，１１Ｂ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（図示略）の一側（図３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１１Ａである。また、第１方向Ｘにおける電解質膜の他側（図３の下側）の面に接合された電極が、アノード電極１１Ｂである。

電極１１Ａ，１１Ｂは、電解質膜に接合された触媒層（図示略）と、触媒層に接合されたガス拡散層１２（Gas Diffusion Layer、以下、ＧＤＬ１２）とを有している。
シート部材２０は、単セル９０を構成するカソード側セパレータ５０とアノード側セパレータ３０との間に設けられている。シート部材２０は、第２方向Ｙに長い平面視略長方形板状である。シート部材２０は、例えば電気絶縁性の合成樹脂材料により形成されている。

シート部材２０は、孔９１，９２，９３，９４，９５，９６をそれぞれ構成する貫通孔２１，２２，２３，２４，２５，２６を有している。
シート部材２０は、中央に開口部２７を有している。開口部２７の内周縁部には、第１方向Ｘの一側（図３の上側）から発電部１１の周縁部が接合されている。

＜カソード側セパレータ５０＞
図３に示すように、カソード側セパレータ５０は、第２方向Ｙに長い平面視長方形板状である。

カソード側セパレータ５０は、例えばチタン、ステンレス鋼などの金属薄板をプレス成形することにより形成されている。
カソード側セパレータ５０は、発電部１１のカソード電極１１Ａ側に設けられている。

カソード側セパレータ５０は、発電部１１に対向する第１面５０ａと、第１面５０ａとは反対側の面である第２面５０ｂとを有している。
カソード側セパレータ５０は、孔９１，９２，９３，９４，９５，９６をそれぞれ構成する貫通孔５１，５２，５３，５４，５５，５６を有している。

カソード側セパレータ５０は、酸化剤ガスが流通する複数の溝流路５７と、冷却媒体が流通する複数の溝流路５８とを有している。溝流路５７は、第１面５０ａに設けられている。溝流路５８は、第２面５０ｂに設けられている。なお、図３には、カソード側セパレータ５０において、複数の溝流路５７が形成された部分の外縁と、複数の溝流路５８が形成された部分の外縁とをそれぞれ簡略化して示している。

＜アノード側セパレータ３０＞
図３に示すように、アノード側セパレータ３０は、第２方向Ｙに長い平面視長方形板状である。

アノード側セパレータ３０は、例えばチタン、ステンレス鋼などの金属薄板をプレス成形することにより形成されている。
アノード側セパレータ３０は、発電部１１のアノード電極１１Ｂ側に設けられている。

アノード側セパレータ３０は、発電部１１に対向する第１面３０ａと、第１面３０ａとは反対側の面である第２面３０ｂとを有している。
アノード側セパレータ３０は、孔９１，９２，９３，９４，９５，９６をそれぞれ構成する貫通孔３１，３２，３３，３４，３５，３６を有している。

アノード側セパレータ３０は、燃料ガスが流通する複数の溝流路３７と、冷却媒体が流通する複数の溝流路３８とを有している。溝流路３７は、第１面３０ａに設けられている。溝流路３８は、第２面３０ｂに設けられている。なお、図３には、アノード側セパレータ３０において、複数の溝流路３７が形成された部分の外縁と、複数の溝流路３８が形成された部分の外縁とをそれぞれ簡略化して示している。

＜ケース８０＞
図１に示すように、ケース８０は、第１方向Ｘの両側に開口する断面長方形の筒状である。ケース８０は、セル積層体１０の側面を取り囲んでいる。ケース８０の内周面８０ａとセル積層体１０との間には、隙間が設けられている。

＜エンドプレート７０Ａ，７０Ｂ＞
図１に示すように、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の一側（図１の上側）には、エンドプレート７０Ａが設けられている。第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の他側（図１の下側）には、エンドプレート７０Ｂが設けられている。エンドプレート７０Ａ，７０Ｂは、ケース８０の開口をそれぞれ閉塞している。エンドプレート７０Ａ，７０Ｂは、第１方向Ｘに延在する図示しないボルトとナットとによって、互いに連結されている。

＜積層弾性体６０Ａ，６０Ｂ＞
図１に示すように、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０とエンドプレート７０Ａ，７０Ｂとの間に位置している。ケース８０の内周面８０ａと積層弾性体６０Ａ，６０Ｂとの間には、隙間が設けられている。積層弾性体６０Ａは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の一側（図１の上側）に設けられている。積層弾性体６０Ｂは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の他側（図１の下側）に設けられている。すなわち、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の両側にそれぞれ設けられている。

積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の端面１０ａ，１０ｂに隣り合ってそれぞれ設けられている。
図１及び図２に示すように、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域の全体にわたって設けられている。本実施形態の積層弾性体６０Ａは、セル積層体１０の端面１０ａの全体にわたって設けられている。本実施形態の積層弾性体６０Ｂは、セル積層体１０の端面１０ｂの全体にわたって設けられている。

図２、図４（ａ）、及び図４（ｂ）に示すように、積層弾性体６０Ａは、第１方向Ｘにおいて剛性板６７と弾性ゴム層６８とが交互に複数積層されて形成されている。剛性板６７と弾性ゴム層６８とは、例えば接着剤によって互いに接着されている。

弾性ゴム層６８は、第２方向Ｙに長い平面視略長方形板状である。
本実施形態の弾性ゴム層６８は、電気絶縁性を有している。
なお、弾性ゴム層６８は、天然ゴム、合成ゴムなどのゴムにより形成されている。

剛性板６７は、第２方向Ｙに長い平面視略長方形板状である。本実施形態の剛性板６７は、平板状であり、貫通孔を有していない。したがって、剛性板６７は、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域の全体にわたって、第１方向Ｘにおいて隣り合う弾性ゴム層６８同士を隔離している。なお、剛性板６７は、例えばアルミニウム、ステンレス鋼などの金属薄板により形成されている。

図２に示すように、積層弾性体６０Ａには、積層弾性体６０Ａを第１方向Ｘに貫通する貫通孔６１，６２，６３，６４，６５，６６が設けられている。貫通孔６１，６４，６６は、単セル９０の孔９１，９４，９６にそれぞれ対応する位置に設けられている。貫通孔６２，６３，６５は、単セル９０の孔９２，９３，９５とそれぞれ対応する位置に設けられている。

なお、図示は省略するが、積層弾性体６０Ｂには、貫通孔６１，６２，６３，６４，６５，６６が設けられていない。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、積層弾性体６０Ａの弾性ゴム層６８は、セル積層体１０の端面１０ａに当接している。また、図示は省略するが、積層弾性体６０Ｂの弾性ゴム層６８は、セル積層体１０の端面１０ｂに当接している。

図４（ｂ）に示すように、上記ボルト及びナットによってエンドプレート７０Ａ，７０Ｂ同士が連結された組付状態においては、積層弾性体６０Ａは、第１方向Ｘにおいて圧縮される。このとき、弾性ゴム層６８は、ケース８０の内周面８０ａに向かって突出する。

次に、本実施形態の作用について説明する。
積層弾性体６０Ａ，６０Ｂにより、セル積層体１０に対して第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域の全体にわたって面圧が印加されるようになる。これにより、セル積層体１０のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを抑制できる。

また、面圧を印加する部材が弾性ゴムのみにより形成される場合と比べて、各弾性ゴム層６８の厚みの総和を小さくできる。これにより、セル積層体１０の熱膨張によって弾性ゴム層６８が圧縮された状態が継続した際に弾性ゴム層６８のクリープ変形が発生しても、クリープ変形量の総和を低減できる。このため、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂにより印加される面圧が低下することを抑制できる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
（１）積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０とエンドプレート７０Ａ，７０Ｂとの間に位置している。積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいて剛性板６７と弾性ゴム層６８とが交互に積層されて形成されており、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域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、上記作用を奏することから、セル積層体１０のシール性の低下を長期間にわたって抑制することができる。
（２）積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の両側の端面１０ａ，１０ｂに隣り合って設けられている。弾性ゴム層６８は、電気絶縁性を有しており、端面１０ａ，１０ｂに当接している。

こうした構成によれば、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂがセル積層体１０の端面１０ａ，１０ｂに隣り合って設けられる構成において、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂとセル積層体１０とを電気的に絶縁することが容易にできる。

（３）積層弾性体６０Ａ，６０Ｂが、第１方向Ｘにおいてセル積層体１０の両側にそれぞれ設けられている。
こうした構成によれば、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂにより、セル積層体１０に対して第１方向Ｘの両側から面圧が印加されるようになる。これにより、セル積層体１０のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを一層抑制できる。

（４）剛性板６７は、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域の全体にわたって、第１方向Ｘにおいて隣り合う弾性ゴム層６８同士を隔離している。
こうした構成によれば、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂからセル積層体１０に対して印加される面圧を均一にできる。これにより、セル積層体１０のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを一層抑制できる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本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。

・図５に示すように、剛性板６７は、第１方向Ｘにおいて剛性板６７を貫通する貫通孔１００を有していてもよい。
発電部１１においては、熱膨張しやすい部位と熱膨張しにくい部位とが存在する。

上記構成によれば、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂのうち剛性板６７に貫通孔１００が設けられている部分は、貫通孔１００が設けられていない部分に比べて第１方向Ｘに弾性変形し易くなる。このため、例えば剛性板６７において、発電部１１のうち熱膨張しやすい部位に対応する位置に貫通孔１００を設けるようにすれば、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂによってセル積層体１０の熱膨張を効果的に吸収することができる。このように、貫通孔１００の位置、大きさ、及び形状を適宜設定することによって、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂからセル積層体１０に対して印加される面圧を部分的に調整することが容易にできる。

・積層弾性体６０Ａ，６０Ｂのいずれか一方を省略してもよい。
・積層弾性体６０Ａ，６０Ｂの剛性板６７がセル積層体１０の端面１０ａ，１０ｂに当接する構成であってもよい。この場合、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂとセル積層体１０の端面１０ａ，１０ｂの間に、電気絶縁性のシートを設けるようにすることが好ましい。

・上記実施形態では、積層弾性体６０Ａ，６０Ｂが、セル積層体１０の端面１０ａ，１０ｂの全体にわたって設けられるようにしたが、これに限らない。積層弾性体６０Ａ，６０Ｂは、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域の全体にわたって設けられていればよく、第１方向Ｘにおいて発電部１１と重なる領域にのみ設けられるものであってもよい。

１０…セル積層体
１０ａ，１０ｂ…端面
１１…発電部
１１Ａ…カソード電極
１１Ｂ…アノード電極
１２…ガス拡散層
２０…シート部材
２１～２６…貫通孔
２７…開口部
３０…アノード側セパレータ
３０ａ…第１面
３０ｂ…第２面
３１～３６…貫通孔
３７，３８…溝流路
５０…カソード側セパレータ
５０ａ…第１面
５０ｂ…第２面
５１～５６…貫通孔
５７，５７…溝流路
６０Ａ，６０Ｂ…積層弾性体
６１～６６…貫通孔
６７…剛性板
６８…弾性ゴム層
７０Ａ，７０Ｂ…エンドプレート
８０…ケース
８０ａ…内周面
９０…単セル
９１，９３，９５…導入孔
９２，９４，９６…導出孔
１００…貫通孔
Ｘ…第１方向（積層方向）
Ｙ…第２方向
Ｚ…第３方向

Claims (5)

1. 発電部を有する単セルが複数積層されて形成されたセル積層体と、
   前記単セルの積層方向において前記セル積層体の両側に位置する２つのエンドプレートと、
   前記積層方向において前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に位置するとともに、前記積層方向において前記セル積層体の少なくとも一側に設けられる積層弾性体と、を備え、
   前記積層弾性体は、前記積層方向において剛性板と弾性ゴム層とが交互に積層されて形成されており、前記積層方向において前記発電部と重なる領域の全体にわたって設けられている、
   燃料電池スタック。
2. 前記積層弾性体は、前記積層方向において前記セル積層体の少なくとも一側の端面に隣り合って設けられており、
   前記弾性ゴム層は、電気絶縁性を有しており、前記端面に当接している、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記積層弾性体が、前記積層方向において前記セル積層体の両側にそれぞれ設けられている、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記剛性板は、前記積層方向において前記発電部と重なる領域の全体にわたって、前記積層方向において隣り合う前記弾性ゴム層同士を隔離している、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 前記剛性板は、前記積層方向において前記剛性板を貫通する貫通孔を有する、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。

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