特開 2024-103083 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】P2024103083

(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 8/0247 20160101AFI20240725BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20240725BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20240725BHJP

   H01M 8/2404 20160101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0247

H01M8/0273

H01M8/2465

H01M8/2404

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007225

(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）】

5H126AA12

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が形成されている。一対のセパレータ２０のそれぞれの積層方向Ｚの外側の面における外縁部及び貫通孔２３の周縁部には、リブ３０，３２が突出するように設けられている。一対のセパレータ２０に形成されたそれぞれのリブ３０，３２同士の形状は、互いに異なっている。
【選択図】図２

【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、
一対の前記セパレータのそれぞれの前記積層方向の外側の面における外縁部及び前記貫通孔の周縁部には、リブが突出するように設けられ、
一対の前記セパレータに形成されたそれぞれの前記リブ同士の形状は、互いに異なっていることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

一対の前記セパレータに形成されたそれぞれの前記リブのうち少なくとも一方は、波形部を有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。

【請求項3】

一対の前記セパレータに形成されたそれぞれの前記リブは、周期及び振幅が同一の波形部を有しており、互いの前記波形部の位相が１周期よりも短い周期分だけずれ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、一対の前記セパレータのそれぞれの前記積層方向の外側の面における外縁部及び前記貫通孔の周縁部には、リブが突出するように設けられ、一対の前記セパレータに形成されたそれぞれの前記リブ同士の形状は、互いに異なっていることを要旨とする。

【0006】

上記構成によれば、単セルを複数積層した際に、隣合う二つの単セルのセパレータに形成された互いに形状の異なるリブ同士が接触する。このとき、リブ同士は、互いに相手からはみ出すように接触する。このため、当該接触するリブ同士の形状が同一である場合に比べて積層状態の各単セルがバランスよく補強される。これにより、複数の単セルは、積層状態で剛性が向上するので、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】一実施形態における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分解斜視図である。

【図3】一実施形態において、隣合う単セルのセパレータにおける第１リブと第２リブとが重なったときの要部を示す平面図である。

【図4】変更例において、隣合う単セルのセパレータにおける第１リブと第２リブとが重なったときの要部を示す平面図である。

【図5】変更例において、隣合う単セルのセパレータにおける第１リブと第２リブとが重なったときの要部を示す平面図である。

【図6】変更例において、隣合う単セルのセパレータにおける第１リブと第２リブとが重なったときの要部を示す平面図である。

【図7】変更例において、隣合う単セルのセパレータにおける第１リブと第２リブとが重なったときの要部を示す平面図である。

【図8】変更例のセパレータの平面図である。

【図9】変更例のセパレータの平面図である。

【図10】変更例のセパレータの平面図である。

【図11】変更例のセパレータの平面図である。

【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に示すように、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】

＜第１セパレータ２１＞
図２に示すように、第１セパレータ２１の積層方向Ｚの外側の面における外縁部の全体及び各貫通孔２３の周縁部の全体には、リブの一例としての第１リブ３０が突出するように形成されている。すなわち、第１リブ３０は、第１セパレータ２１における支持枠１９側とは反対側の面に設けられている。

【0014】

第１リブ３０は、第１セパレータ２１をプレス加工することによって形成されている。したがって、第１セパレータ２１の積層方向Ｚの内側の面における第１リブ３０と対応する部分は、第１リブ３０が積層方向Ｚの外側に突出した分だけ凹んでいる。第１リブ３０は、周期及び振幅が一定の波形部の一例としての第１波形部３１を有している。

【0015】

第１セパレータ２１の積層方向Ｚの外側の面における外縁部の第１リブ３０は、第１セパレータ２１の外縁に沿って四角環状に延びるとともに、第１セパレータ２１の外縁側とは反対側の部分（内側の部分）に第１波形部３１を有している。第１セパレータ２１の積層方向Ｚの外側の面における各貫通孔２３の周縁部の第１リブ３０は、貫通孔２３の周縁に沿って四角環状に延びるとともに、貫通孔２３側とは反対側の部分（外側の部分）に第１波形部３１を有している。

【0016】

＜第２セパレータ２２＞
図２に示すように、第２セパレータ２２の積層方向Ｚの外側の面における外縁部の全体及び各貫通孔２３の周縁部の全体には、リブの一例としての第２リブ３２が突出するように形成されている。すなわち、第２リブ３２は、第２セパレータ２２における支持枠１９側とは反対側の面に設けられている。

【0017】

第２リブ３２は、第２セパレータ２２をプレス加工することによって形成されている。したがって、第２セパレータ２２の積層方向Ｚの内側の面における第２リブ３２と対応する部分は、第２リブ３２が積層方向Ｚの外側に突出した分だけ凹んでいる。第２リブ３２は、周期及び振幅が一定の波形部の一例としての第２波形部３３を有している。

【0018】

第２セパレータ２２の積層方向Ｚの外側の面における外縁部の第２リブ３２は、第２セパレータ２２の外縁に沿って四角環状に延びるとともに、第２セパレータ２２の外縁側とは反対側の部分（内側の部分）に第２波形部３３を有している。第２セパレータ２２の積層方向Ｚの外側の面における各貫通孔２３の周縁部の第２リブ３２は、貫通孔２３の周縁に沿って四角環状に延びるとともに、貫通孔２３側とは反対側の部分（外側の部分）に第２波形部３３を有している。

【0019】

図２及び図３に示すように、第２リブ３２の第２波形部３３は、周期及び振幅が第１リブ３０の第１波形部３１と同一になっている。第１波形部３１と第２波形部３３とは、位相が１周期よりも短い周期分だけずれている。本例において、第１波形部３１と第２波形部３３とは、位相が半周期分だけずれている。したがって、第１リブ３０の形状と、第２リブ３２の形状とは、互いに異なっていると言える。

【0020】

＜実施形態の作用＞
図１～図３に示すように、単セル１２を複数積層した燃料電池スタック１３では、積層方向Ｚで隣合う二つの単セル１２のうち一方の第１セパレータ２１の第１リブ３０と他方の第２セパレータ２２の第２リブ３２とが接触する。すなわち、互いに形状の異なる第１リブ３０と第２リブ３２とが接触する。この場合、特に、第１波形部３１と第２波形部３３とは、位相が半周期分だけずれている。

【0021】

このため、第１リブ３０と第２リブ３２との形状が同一で第１リブ３０と第２リブ３２との位置が積層方向Ｚと直交する方向においてずれることなく接触する場合に比べて、積層状態の各単セル１２がバランスよく補強される。これにより、積層状態の各単セル１２は、剛性が向上するので、反り難くなる。この結果、複数の単セル１２が積層状態で安定する。

【0022】

因みに、第１リブ３０と第２リブ３２とが同一形状である場合には、第１リブ３０と第２リブ３２とが互いに相手からはみ出さないように接触する。このため、積層状態の各単セル１２は、第１リブ３０と第２リブ３２とが重なる部分のみが集中的に補強される。したがって、第１リブ３０と第２リブ３２とによる積層状態の各単セル１２の補強のバランスが悪くなってしまう。

【0023】

＜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、第１セパレータ２１に形成された第１リブ３０の形状と、第２セパレータ２２に形成された第２リブ３２の形状とは、互いに異なっている。

【0024】

上記構成によれば、単セル１２を複数積層した際に、互いに形状の異なる第１リブ３０と第２リブ３２とが接触する。このとき、第１リブ３０と第２リブ３２とは、互いに相手からはみ出すように接触する。このため、第１リブ３０と第２リブ３２とが同一形状である場合に比べて積層状態の各単セル１２がバランスよく補強される。これにより、複数の単セル１２は、積層状態で剛性が向上するので、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。

【0025】

（２）燃料電池スタック１３において、第１セパレータ２１に形成された第１リブ３０及び第２セパレータ２２に形成された第２リブ３２は、周期及び振幅が同一の第１波形部３１及び第２波形部３３をそれぞれ有している。第１波形部３１及び第２波形部３３の位相は、半周期分だけずれている。

【0026】

上記構成によれば、積層状態の各単セル１２を、互いに第１波形部３１及び第２波形部３３の位相が半周期分だけずれた状態で重なる第１リブ３０及び第２リブ３２によってより一層バランスよく補強できる。

【0027】

（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。

【0028】

・図４に示すように、第２リブ３２の第２波形部３３の振幅と第１リブ３０の第１波形部３１の振幅とを異ならせてもよい。すなわち、例えば、第２リブ３２の第２波形部３３の振幅を第１リブ３０の第１波形部３１の振幅よりも大きくしてもよい。

【0029】

・図５に示すように、第２リブ３２の第２波形部３３の周期と第１リブ３０の第１波形部３１の周期とを異ならせてもよい。すなわち、例えば、第２リブ３２の第２波形部３３の周期を第１リブ３０の第１波形部３１の周期よりも短くしてもよい。

【0030】

・図６に示すように、第２リブ３２の第２波形部３３の周期及び第１リブ３０の第１波形部３１の周期は、不規則であってもよい。
・図７に示すように、第２リブ３２は、第２波形部３３を省略して直線状にしてもよい。

【0031】

・第１リブ３０は、上記図７における第２リブ３２の場合と同様に、第１波形部３１を省略して直線状にしてもよい。
・図８に示すように、第１セパレータ２１及び第２セパレータ２２において、第１リブ３０と第２リブ３２との互いに接触する部分の形状が異なっていれば、各貫通孔２３の周縁部の第１リブ３０または第２リブ３２の形状を直線状にしてもよい。直線状にした第１リブ３０及び第２リブ３２は、それぞれ第１波形部３１及び第２波形部３３を有していない。

【0032】

・図９に示すように、第１セパレータ２１及び第２セパレータ２２において、第１リブ３０と第２リブ３２との互いに接触する部分の形状が異なっていれば、外縁部の第１リブ３０または第２リブ３２の形状を直線状にしてもよい。直線状にした第１リブ３０及び第２リブ３２は、それぞれ第１波形部３１及び第２波形部３３を有していない。

【0033】

・図１０に示すように、第１セパレータ２１及び第２セパレータ２２において、第１リブ３０と第２リブ３２との互いに接触する部分の形状が異なっていれば、外縁部及び各貫通孔２３の周縁部の第１リブ３０または第２リブ３２の形状を部分的に直線状にしてもよい。

【0034】

・図１１に示すように、第１セパレータ２１及び第２セパレータ２２において、外縁部及び各貫通孔２３の周縁部の第１リブ３０または第２リブ３２の形状を直線状にしてもよい。

【0035】

・第１波形部３１及び第２波形部３３の位相は、半周期分だけずれていることに限らず、例えば、四分の一周期分だけずれていてもよいし、六分の一周期分だけずれていてもよい。

【符号の説明】

【0036】

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…リブの一例としての第１リブ
３１…波形部の一例としての第１波形部
３２…リブの一例としての第２リブ
３３…波形部の一例としての第２波形部
Ｚ…積層方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】