特開 2024-103082 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024103082

(43)【公開日】2024-08-01

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20240725BHJP

   H01M 8/2404 20160101ALI20240725BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/2404

H01M8/0273

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007224

(22)【出願日】2023-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】青野 晴之

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H126DD05

5H126EE11

(57)【要約】

【課題】複数の単セルを積層状態で安定させ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、中央部に膜電極接合体１８を支持した樹脂製の支持枠１９を一対のセパレータ２０で挟んだ単セル１２を複数積層したものである。支持枠１９及び一対のセパレータ２０には、単セル１２の積層方向Ｚに延びるとともに流体が流れる流路を構成する貫通孔２３が形成される。支持枠１９は、外縁部及び貫通孔２３の周縁部においてセパレータ２０よりも突出する外縁側突出部３１及び周縁側突出部３３をそれぞれ有している。外縁側突出部３１及び周縁側突出部３３は、セパレータ２０の外縁部３０及びセパレータ２０の貫通孔２３の周縁部３２と共に積層方向Ｚにおいて外縁フレーム３４及び周縁フレーム３５によってそれぞれ挟まれている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央部に膜電極接合体を支持した樹脂製の支持枠を一対のセパレータで挟んだ単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、
前記支持枠及び一対の前記セパレータには、前記単セルの積層方向に延びるとともに流体が流れる流路を構成する貫通孔が形成され、
前記支持枠は、外縁部及び前記貫通孔の周縁部のうちの少なくとも一方において前記セパレータよりも突出する突出部を有しており、
前記突出部は、前記セパレータの外縁部及び前記セパレータの前記貫通孔の周縁部のうちの対応する少なくとも一方と共に前記積層方向において樹脂フレームによって挟まれていることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

前記突出部を挟む前記樹脂フレームの前記積層方向における二つの外側の面のうちの一方には凸部が形成されるとともに他方には凹部が形成され、
積層された隣合う二つの前記単セルのうち、一方に設けられた前記樹脂フレームの前記凸部と、他方に設けられた前記樹脂フレームの前記凹部とは、互いに嵌合してい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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の燃料電池スタックとして、例えば特許文献１に示すものが知られている。こうした燃料電池スタックは、薄板状の単セルを複数積層した構成になっている。単セルは、膜電極接合体を支持した樹脂製の支持枠を一対のセパレータによって挟んだ構成になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－７６５１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述のような燃料電池スタックにおいて、薄板状の単セルは、剛性が低いので、反り易い。このため、複数の単セルを積層状態で安定させることが困難になるという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池スタックは、中央部に膜電極接合体を支持した樹脂製の支持枠を一対のセパレータで挟んだ単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記支持枠及び一対の前記セパレータには、前記単セルの積層方向に延びるとともに流体が流れる流路を構成する貫通孔が形成され、前記支持枠は、外縁部及び前記貫通孔の周縁部のうちの少なくとも一方において前記セパレータよりも突出する突出部を有しており、前記突出部は、対応する前記セパレータの外縁部及び前記セパレータの前記貫通孔の周縁部のうちの少なくとも一方と共に前記積層方向において樹脂フレームによって挟まれていることを要旨とする。

【0006】

上記構成によれば、樹脂フレームによって単セルの剛性が向上するので、単セルが反り難くなる。したがって、複数の単セルを積層状態で安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態の燃料電池の断面模式図である。

【図2】一実施形態における単セルの平面図である。

【図3】一実施形態における単セルの分解斜視図である。

【図4】図２の４－４線矢視断面図である。

【図5】一実施形態において、燃料電池スタックの一部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、燃料電池の一実施形態を図面に従って説明する。
＜燃料電池１１＞
図１に示すように、燃料電池１１は、発電を行う矩形板状の単セル１２をそれらの厚さ方向で複数積層した燃料電池スタック１３と、燃料電池スタック１３を単セル１２の積層方向Ｚの両側から挟む一対のエンドプレート１４とを備えている。一対のエンドプレート１４は、外縁部同士を複数のボルト１５及び複数のナット１６によって互いに締結することにより、燃料電池スタック１３を積層方向Ｚにおいて圧縮するように押圧している。一対のエンドプレート１４と燃料電池スタック１３とのそれぞれの間には、集電を行うターミナルプレート（図示略）及び絶縁を行う絶縁プレート（図示略）が介在している。

【0009】

＜単セル１２＞
図２及び図３に示すように、単セル１２は、単セル１２は、矩形枠状に形成されて中央部の矩形状の開口部１７に矩形シート状をなす膜電極接合体１８（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を支持した樹脂製の支持枠１９と、膜電極接合体１８を支持した状態の支持枠１９を挟む一対の金属製のセパレータ２０とを有している。一対のセパレータ２０のうち、一方は第１セパレータ２１とされるとともに、他方は第２セパレータ２２とされている。

【0010】

単セル１２は、膜電極接合体１８における積層方向Ｚの一方側（アノード側）の部分に燃料ガスが供給され且つ他方側（カソード側）の部分に酸化剤ガスが供給されると、燃料ガス及び酸化剤ガスの膜電極接合体１８での電気化学反応に基づき発電を行う。単セル１２の長辺方向の両端部、すなわち支持枠１９、第１セパレータ２１、及び第２セパレータ２２の長辺方向の両端部には、複数（本例では６つ）の貫通孔２３がそれぞれ形成されている。各貫通孔２３は、一例として、四角形状をなしている。

【0011】

これら６つの貫通孔２３は、それぞれ、燃料ガス供給孔２４、燃料ガス排出孔２５、酸化剤ガス供給孔２６、酸化剤ガス排出孔２７、冷却媒体供給孔２８、及び冷却媒体排出孔２９とされている。燃料ガス供給孔２４は、積層方向Ｚに延びて流体の一例としての燃料ガスが供給される流路を構成する。燃料ガス排出孔２５は、積層方向Ｚに延びて燃料ガスが排出される流路を構成する。

【0012】

酸化剤ガス供給孔２６は、積層方向Ｚに延びて流体の一例としての酸化剤ガスが供給される流路を構成する。酸化剤ガス排出孔２７は、積層方向Ｚに延びて酸化剤ガスが排出される流路を構成する。冷却媒体供給孔２８は、積層方向Ｚに延びて流体の一例としての冷却水が供給される流路を構成する。冷却媒体排出孔２９は、積層方向Ｚに延びて冷却水が排出される流路を構成する。

【0013】

＜支持枠１９＞
図３及び図４に示すように、支持枠１９は、セパレータ２０よりも一回り大きい矩形板状をなしている。したがって、支持枠１９の外縁部は、セパレータ２０の外縁部３０よりも外側に突出している。支持枠１９の外縁部におけるセパレータ２０の外縁部３０よりも外側に突出した矩形枠状の部分は、突出部の一例としての外縁側突出部３１とされている。

【0014】

支持枠１９に形成された各貫通孔２３は、セパレータ２０に形成された各貫通孔２３よりも一回り小さい四角形状をなしている。したがって、支持枠１９における各貫通孔２３の周縁部は、セパレータ２０の各貫通孔２３の周縁部３２よりも内側に突出している。支持枠１９の各貫通孔２３の周縁部におけるセパレータ２０の各貫通孔２３の周縁部３２よりも内側に突出した四角枠状の部分は、突出部の一例としての周縁側突出部３３とされている。したがって、本例の支持枠１９は、６つの周縁側突出部３３を有している。

【0015】

支持枠１９の外縁側突出部３１は、一対のセパレータ２０の外縁部３０と共に積層方向Ｚにおいて樹脂フレームの一例としての一対の矩形環状の外縁フレーム３４によって挟まれている。一対の外縁フレーム３４は、支持枠１９の外縁側突出部３１及び一対のセパレータ２０の外縁部３０に対して、例えば接着剤や熱溶着などによって接合される。

【0016】

支持枠１９の各周縁側突出部３３は、一対のセパレータ２０の貫通孔２３の周縁部３２と共に積層方向Ｚにおいて樹脂フレームの一例としての一対の四角環状の周縁フレーム３５によって挟まれている。すなわち、支持枠１９の６つの周縁側突出部３３は、一対のセパレータ２０の６つずつの貫通孔２３の周縁部３２と共に積層方向Ｚにおいて六対の周縁フレーム３５によってそれぞれ挟まれている。各対の周縁フレーム３５は、支持枠１９の周縁側突出部３３及び一対のセパレータ２０の貫通孔２３の周縁部３２に対して、例えば接着剤や熱溶着などによって接合される。

【0017】

＜外縁フレーム３４＞
図３及び図４に示すように、一対の外縁フレーム３４のうち、一方は第１外縁フレーム３６とされるとともに、他方は第２外縁フレーム３７とされている。一対の外縁フレーム３４の積層方向Ｚにおける二つの外側の面のうちの一方には凸部の一例としての複数（本例では１０個）の外縁凸部３８が形成されるとともに他方には凹部の一例としての複数（本例では１０個）の外縁凹部３９が形成されている。

【0018】

すなわち、積層方向Ｚにおける第１外縁フレーム３６の外側の面には複数の外縁凸部３８が周方向の全体にわたって並んで形成されるとともに、積層方向Ｚにおける第２外縁フレーム３７の外側の面には複数の外縁凹部３９が周方向の全体にわたって並んで形成されている。

【0019】

そして、図５に示すように、積層された隣合う二つの単セル１２のうち、一方に設けられた第１外縁フレーム３６の複数の外縁凸部３８と、他方に設けられた第２外縁フレーム３７の複数の外縁凹部３９とは、それぞれ互いに嵌合するように構成されている。

【0020】

図４に示すように、第１外縁フレーム３６の積層方向Ｚの内側の面には、第１セパレータ２１の外縁部３０に接触する内周側接触面４０と、支持枠１９の外縁側突出部３１に接触する外周側接触面４１とが形成されている。内周側接触面４０と外周側接触面４１との間には、段差４２が形成されている。

【0021】

第２外縁フレーム３７の積層方向Ｚの内側の面には、第２セパレータ２２の外縁部３０に接触する内周側接触面４０と、支持枠１９の外縁側突出部３１に接触する外周側接触面４１とが形成されている。内周側接触面４０と外周側接触面４１との間には、段差４２が形成されている。

【0022】

＜周縁フレーム３５＞
図３及び図４に示すように、各対の周縁フレーム３５のうち、一方は第１周縁フレーム４３とされるとともに、他方は第２周縁フレーム４４とされている。すなわち、一対の周縁フレーム３５は、一つの第１周縁フレーム４３と、一つの第２周縁フレーム４４とによって構成されている。

【0023】

各対の周縁フレーム３５の積層方向Ｚにおける二つの外側の面のうちの一方には凸部の一例としての複数（本例では２個）の周縁凸部４５が形成されるとともに他方には凹部の一例としての複数（本例では２個）の周縁凹部４６が形成されている。

【0024】

すなわち、積層方向Ｚにおける各第１周縁フレーム４３の外側の面には複数の周縁凸部４５が形成されるとともに、積層方向Ｚにおける各第２外縁フレーム３７の外側の面には複数の周縁凹部４６が形成されている。そして、積層された隣合う二つの単セル１２のうち、一方に設けられた各第１周縁フレーム４３の複数の周縁凸部４５と、他方に設けられた各第２周縁フレーム４４の複数の周縁凹部４６とは、それぞれ互いに嵌合するように構成されている。

【0025】

第１周縁フレーム４３の積層方向Ｚの内側の面には、第１セパレータ２１の貫通孔２３の周縁部３２に接触する外周側接触面４７と、支持枠１９の周縁側突出部３３に接触する内周側接触面４８とが形成されている。外周側接触面４７と内周側接触面４８との間には、段差４９が形成されている。

【0026】

第２周縁フレーム４４の積層方向Ｚの内側の面には、第２セパレータ２２の貫通孔２３の周縁部３２に接触する外周側接触面４７と、支持枠１９の周縁側突出部３３に接触する内周側接触面４８とが形成されている。外周側接触面４７と内周側接触面４８との間には、段差４９が形成されている。

【0027】

＜実施形態の作用＞
各単セル１２においては、外縁部が一対の外縁フレーム３４によって挟まれるとともに、六つの貫通孔２３の周縁部が六対の周縁フレーム３５によってそれぞれ挟まれている。これにより、各単セル１２が効果的に補強される。このため、各単セル１２の剛性が向上するので、各単セル１２が反り難くなる。

【0028】

そして、複数の単セル１２を積層した場合には、隣合う二つの単セル１２のうち、一方に設けられた第１外縁フレーム３６の複数の外縁凸部３８と、他方に設けられた第２外縁フレーム３７の複数の外縁凹部３９とがそれぞれ互いに嵌合する。これに加えて、積層された隣合う二つの単セル１２のうち、一方に設けられた各第１周縁フレーム４３の複数の周縁凸部４５と、他方に設けられた各第２周縁フレーム４４の複数の周縁凹部４６とがそれぞれ互いに嵌合する。

【0029】

したがって、複数の単セル１２を積層方向Ｚに沿って精度よく容易に積層することができるようになるので、複数の単セル１２が積層状態で安定する。この結果、燃料電池スタック１３の品質が向上される。

【0030】

＜実施形態の効果＞
以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）燃料電池スタック１３において、各単セル１２は、外縁部が一対の外縁フレーム３４によって挟まれるとともに、六つの貫通孔２３の周縁部が六対の周縁フレーム３５によってそれぞれ挟まれている。

【0031】

上記構成によれば、一対の外縁フレーム３４と六対の周縁フレーム３５とによって各単セル１２を効果的に補強することができる。このため、各単セル１２の剛性が向上するので、各単セル１２が反り難くなる。したがって、複数の単セル１２を積層状態で安定させることができる。

【0032】

（２）燃料電池スタック１３において、積層された隣合う二つの単セル１２のうち、一方に設けられた第１外縁フレーム３６の複数の外縁凸部３８と、他方に設けられた第２外縁フレーム３７の複数の外縁凹部３９とがそれぞれ互いに嵌合している。これに加えて、積層された隣合う二つの単セル１２のうち、一方に設けられた各第１周縁フレーム４３の複数の周縁凸部４５と、他方に設けられた各第２周縁フレーム４４の複数の周縁凹部４６とがそれぞれ互いに嵌合している。

【0033】

上記構成によれば、積層された隣合う二つの単セル１２同士が積層方向Ｚと直交する方向において互いの位置がずれることを抑制できる。このため、複数の単セル１２を積層方向Ｚに沿って精度よく容易に積層することができるようになるので、複数の単セル１２を積層状態でより一層安定させることができる。この結果、燃料電池スタック１３の品質を向上させることができる。

【0034】

（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。また、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。

【0035】

・第１外縁フレーム３６の外縁凸部３８及び第２外縁フレーム３７の外縁凹部３９は、省略してもよい。
・第１外縁フレーム３６の外縁凸部３８の数と、第２外縁フレーム３７の外縁凹部３９の数とは、必ずしも一致する必要はない。すなわち、外縁凸部３８の数と、外縁凹部３９の数とは、異なっていてもよい。つまり、積層された隣合う二つの単セル１２同士の間で、嵌合されない外縁凸部３８または外縁凹部３９が存在してもよい。

【0036】

・各第１周縁フレーム４３の周縁凸部４５及び各第２周縁フレーム４４の周縁凹部４６は、省略してもよい。
・各第１周縁フレーム４３の周縁凸部４５の数と、各第２周縁フレーム４４の周縁凹部４６の数とは、必ずしも一致する必要はない。すなわち、周縁凸部４５の数と、周縁凹部４６の数とは、異なっていてもよい。つまり、積層された隣合う二つの単セル１２同士の間で、嵌合されない周縁凸部４５または周縁凹部４６が存在してもよい。

【0037】

・六対の周縁フレーム３５は、省略してもよい。この場合、六対の周縁フレーム３５と対応する周縁側突出部３３は、省略することが好ましい。
・一対の外縁フレーム３４は、省略してもよい。この場合、一対の外縁フレーム３４と対応する外縁側突出部３１は、省略することが好ましい。

【符号の説明】

【0038】

１１…燃料電池
１２…単セル
１３…燃料電池スタック
１４…エンドプレート
１５…ボルト
１６…ナット
１７…開口部
１８…膜電極接合体
１９…支持枠
２０…セパレータ
２１…第１セパレータ
２２…第２セパレータ
２３…貫通孔
２４…燃料ガス供給孔
２５…燃料ガス排出孔
２６…酸化剤ガス供給孔
２７…酸化剤ガス排出孔
２８…冷却媒体供給孔
２９…冷却媒体排出孔
３０…外縁部
３１…突出部の一例としての外縁側突出部
３２…周縁部
３３…突出部の一例としての周縁側突出部
３４…樹脂フレームの一例としての外縁フレーム
３５…樹脂フレームの一例としての周縁フレーム
３６…第１外縁フレーム
３７…第２外縁フレーム
３８…凸部の一例としての外縁凸部
３９…凹部の一例としての外縁凹部
４０，４８…内周側接触面
４１，４７…外周側接触面
４２，４９…段差
４３…第１周縁フレーム
４４…第２周縁フレーム
４５…凸部の一例としての周縁凸部
４６…凹部の一例としての周縁凹部
Ｚ…積層方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】