JP5178061B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、単位発電セルを複数積層してなる積層体を具備する燃料電池に係り、特に固体高分子形燃料電池に関する。

燃料電池は、所望の発電出力を得るために単位発電セルを複数積層し、積層体にして使用される。積層体の端部には一対のエンドプレートを配置し、エンドプレートに所定の荷重を付与して積層体を締め付ける。積層体に締め付け荷重を付与することで、単位発電セルを複数積層した際に、セルとセルの隙間などから反応ガスや冷却水が漏洩するのを防止することができ、また、セル同士の接触抵抗を低減することができる。

積層体に荷重を付与する方法としては、例えば、エンドプレートにロッドを複数本通し、エンドプレートの外側からロッドにコイルばねや皿ばねを通し、ナット等で締め付けて面圧を付与する方法がある(例えば、特許文献１参照)。

特開２００１−２２３０１８号公報

近年、燃料電池にはコンパクトな構成で高い出力が要求されるようになった。そのため、セパレータの薄型化、端板厚さの低減等の検討がなされている。セパレータには、反応ガスの流路および冷却水の流路が形成される。これらの流路の成形は、量産性の観点から、プレス加工により行われているが、セパレータを薄くすればするほど、セパレータへの流路成形は難しくなり、プレス加工による反りが発生しやすくなる。

反りの発生している薄型セパレータを用いて、単位発電セルを複数積層し、所定の荷重を付加するために締め付けを行った場合には、締め付けによりセパレータの反りが矯正されることで、積層時と締め付け時とで積層体の高さが大きく異なるようになる。ロッドを利用して積層体の締め付けを行う場合には、締め付けの前後で積層体の高さが大きく変わると、積層体から突き出るロッドが長くなる。また、発電に寄与しないロッドを通す部分の体積が増加し、積層体をコンパクト化することができない。

本発明の目的は、ロッドを使用せずに積層体に荷重を付与することができ、コンパクトな構成で高いシール性が得られるようにした燃料電池を提供することにある。

本発明は、電解質膜と電極触媒を一体化した電解質膜・電極触媒複合体の両側にガス拡散層とセパレータを備えた単位発電セルを、前記セパレータに形成されるマニホールドの周囲および前記セパレータの周囲をシールするシール部材とともに複数積層し、得られた積層体に一対のエンドプレートと前記積層体を包囲するケース部材とにより積層方向に締め付けるようにした燃料電池において、前記一対のエンドプレートを連結するロッドを使用せず、前記積層体に付与する締め付け荷重が複数種の板ばねにより与えられており、前記一対のエンドプレートの少なくとも一方には、前記板ばねとして、前記積層体のセル中央の発電部分に荷重を付与する両端固定梁板ばね（第１の両端固定梁板ばねと称す）と、前記積層体のセル周辺のシール部分に荷重を付与する両端固定梁板ばね（第２の両端固定梁板ばねと称す）とが配置され、前記第１の両端固定梁板ばねの最大応力と前記第２の両端固定梁板ばねの最大応力とが異なっており、前記ケース部材の端部には、前記板ばねとして、前記積層体のセル周縁部分に締め付け荷重を付与する片持ち梁板ばねが配置されていることを特徴とする。

本発明により、ロッドを使用せずに、積層体に締め付け荷重を付与することが可能となった。複数の板ばねを用いたことで、積層体の全面に荷重を付与することが可能になり、コンパクトな構成で高いシール性を得ることができる。

以下、本発明を、図面を用いて説明する。

図１は、固体高分子形燃料電池の単位発電セルの構成を示した概略図である。固体高分子形燃料電池の単位発電セル８は、固体高分子よりなる電解質膜の一方の面に燃料極（以下、アノードという）触媒層を被覆し、他方の面に酸化剤極（以下、カソードという）触媒層を被覆して、電解質膜と電極触媒を一体化した電解質膜・電極触媒複合体１の両側に、ガス拡散層２ａ，２ｂとセパレータ３，４を有する。

電解質膜・電極触媒複合体１は、Ｈ^＋とｅ⁻とＯ_２から電気化学反応で水と電気と熱を発生させる部分である。ガス拡散層２ａ，２ｂは電解質膜・電極触媒複合体１に燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを供給する部分であり、通常は多孔質のカーボン材など、導電性の材料で作られる。セパレータ３，４は金属やカーボンなどの導電性材料で作られ、一方の面を反応ガスが流れ、反対側の面を冷却水が流れるように、それぞれの流路が形成される。また、セパレータにはアノードガス、カソードガスおよび冷却水の供給孔と排出孔が形成される。これらの孔は、単位発電セルを複数積層して燃料電池スタックとしたときに、積層方向に連通し、これによりマニホールドが形成される。

図２は、セパレータの反応ガス流路面と冷却水流路面を模式的に示したものである。図２（ａ）は反応ガス流路を有するセパレータ反応ガス面１３を示しており、図２（ｂ）は冷却水流路を有するセパレータ冷却水面１４を示している。セパレータには、反応ガス流路と冷却水流路のほかに、各種のマニホールドが形成されている。具体的には、アノードガス（またはカソードガス）マニホールド９、カソードガス（またはアノードガス）マニホールド１１、冷却水マニホールド１０が形成されている。これらのマニホールドの周囲には、ガスや水の漏洩を防止するためにシール部材１２によるシールが施される。また、セパレータの周囲にもシールが施される。

このように構成された単位発電セルを複数積層し、積層体の両端を一対のエンドプレートで締め付けて、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは電解質膜・電極触媒複合体１の面内方向が水平方向に対して垂直となるように設置される。

セパレータは、片面に反応ガス流路を有し、もう片方の面に冷却水流路を有する波板形状をした板である。このセパレータを備えた燃料電池の場合、図１に示すように、アノード側ではセパレータ３のアノードガス流路５の凸面がガス拡散層２ａに接し、カソード側ではセパレータ４のカソードガス流路６の凸面がガス拡散層２ｂに接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受が行われ、電気化学反応により生じた熱が、冷却水流路７を流れる冷却水へ伝えられる。また、アノードガス又はカソードガスは凹部を流れ、ガス拡散層２ａ，２ｂを介して電解質膜・電極触媒複合体１の触媒電極へ供給される。

固体高分子形燃料電池ではアノードガスとして水素ガスが供給される。水素ガスはセパレータ３のアノードガス流路５に入り、この流路を通りながらガス拡散層２ａへと拡散していく。セパレータでは流路方向のみの流れであるが、多孔質構造であるガス拡散層内では様々な方向へ流れ、セパレータの面と垂直な方向にも拡散され、電解質膜・電極触媒複合体１に到達する。

その後、電解質膜・電極触媒複合体１の電極触媒上で電気化学反応によりプロトンになり、電子を放出することによって電力を発生する。プロトンはアノード側からカソード側に固体高分子電解質膜を経て移動する。未反応のガスは、アノードガス出口から排出される。

他方、固体高分子形燃料電池に供給された空気等のカソードガスは、セパレータ４のカソードガス流路６からガス拡散層２ｂを通り、電解質膜・電極触媒複合体１に到達する。そこで、固体高分子電解質膜を経て移動したプロトンと外部回路から送られてくる電子と空気中の酸素とが反応して、水を生成し、熱を発生する。生成した水の大部分は未反応ガス中に蒸発し、セルスタック外に排出されるが、一部の過飽和となる状態では液相の水として残留する。また、熱は冷却水流路７を流れる冷却水で冷却除去される。

図４は本発明に係る燃料電池の一構成例を示した概略図である。本発明の燃料電池は、燃料電池スタック１８と、集電板２１と、一対のエンドプレート１９，２４と、ケース部材２０ａ，２０ｂを有する。図４では、エンドプレート１９を絶縁材料で構成するとともに、マニホールド機能を持たせており、このための流体供給口２９を設けている。また、エンドプレート１９には、板ばねを配置するための板ばね配置用溝２８を設けている。板ばね配置用溝２８には、図３（ｂ）に示す両端固定梁板ばね１７が配置され、これによって、燃料電池スタックに締め付け荷重が付与される。本実施例では、エンドプレート１９の外側に位置するケース部材２０ａに板ばね固定部材としての役目を兼ねさせ、そこに板ばね固定用ねじ孔２７を設けて、燃料電池スタックに荷重を付与した状態で板ばねを固定できるようにしている。

また、燃料電池スタックの周囲を包囲するケース部材２０ｂの一部に板ばね１５を設置し、燃料電池スタックの周辺のシール部分に締め付け荷重を付与できるようにしている。板ばね１５は、燃料電池スタックの周辺部分をセル積層方向から締め付けるものであることから、図３（ａ）に示すように片持梁板ばねとすることが望ましい。

また、エンドプレート１９の板ばね配置用溝２８に配置される板ばねは、セル全面に締め付け圧を加えるものであることから、図３(ｂ)に示すように両端固定梁板ばね１７とすることが望ましい。

燃料電池において、電解質膜・電極触媒複合体１のアノード側で電気化学反応により発生した電荷は、導電性を有するセパレータ３，４を介して外部負荷に供給される。この際、燃料電池の各構成要素の接触面で接触電気抵抗が生じ、外部に取り出す電気エネルギーの損失に繋がる。本発明の燃料電池では、複数の板ばねにより確実にセル積層体を締め付けることができるため、接触電気抵抗を低減でき、燃料電池の高効率化が可能である。

図９は締め付け前のシール構造断面を示したものである。図９（ａ）はシール部材１２が面シールの場合であり、図９（ｂ）はシール部材１２が線シールの場合である。

シール部材に反力の高いゴムシート、例えばエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）を用いる場合には、セパレータ３又はセパレータ４に接着されたシート状のシール部材１２を、図９（ａ）に示すように面シールとするのがよい。面シールでは所定の面圧を付与しても、反力が高いため変形量が僅かとなる。このように面シールを用いた燃料電池の接触抵抗を低減するためには、発電面にシール部より大きな荷重を付与し、十分なシールがされる厚さまでガス拡散層２を圧縮することが望ましい。

一方、低反力の材料、例えば、フッ素系ゴムやシリコン系ゴムを用いたシール構造とする場合には、図９（ｂ）に示すようにリップを有する線シールとするのがよい。線シールを用いた燃料電池の接触抵抗を低減する場合には、発電面に比べシール部に大きな荷重を付与し、ガス拡散層がセパレータと確実に接するまでシールを圧縮することが望ましい。

単位発電セル８を複数積層する過程では、セパレータの反り、歪みに起因する積層ずれが発生することが懸念される。積層時のずれを防止するためには、各種マニホールドの孔を利用した位置ずれ防止機構を用いることが有効である。例えば図５に示したように、ねじ溝を有するロッド２３を用いた位置ずれ防止機構の場合には、底板となるエンドプレート２４にマニホールドを貫通する位置で且つロッド２３がマニホールドに接するように固定する孔を備える。ロッド２３に沿って、セル構成部品２２を順次積層したのち、最上部に集電板２４およびマニホールド機能を備えるエンドプレート１９を積層する。

この状態で積層体を所定の圧力で圧縮し、ロッド２３にナットを通し、仮止めを行う。そして、板ばね１５を設けたケース部材２０ｂにて積層面のケーシングを行う。ケース部材の材料として金属などの導電性材料を用いる場合には、ケースと積層体が接触して発電時に通電することを防ぐため、絶縁材をコーティングまたはケース部材と積層体の間に介在させるのがよい。ケーシングにより積層方向の固定がされるため、この時点でロッド２３による仮止めを取り除くことが可能である。

マニホールドを備えたエンドプレート１９には、板ばねを設置する板ばね配置用溝２８を設けるのが良い。これにより、板ばねのずれを防止することができる。板ばね配置用溝２８に図３（ｂ）に示した両端固定梁板ばね１７を入れ、その外側にケース部材２０aを配置し、板ばね固定用ねじ孔２７にねじを押し込んで、積層体の締め付けを行う。エンドプレートの材料には、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）などの絶縁材料が用いられる。

以上により、単位発電セルを複数積層した積層体に所定の締め付け荷重を付与し、接触抵抗の低減と、ガスや液などの漏れ防止を図ることができる。

セル積層型の燃料電池では、反応ガスや冷却水の流入・排出口を、エンドプレート１９の一面に集約するのがよい。図６は、一例として、エンドプレート１９における、カソードガスの流入排出管の概要を示している。カソードガス供給口２５から供給されたカソードガスは積層体のカソードガス供給マニホールドを流れ、燃料電池スタック１８の各発電セルへ分配される。反応で残留したガスは排出マニホールドを介してカソードガス排出口２６から排出される。積層体の反対面にあるエンドプレート２４によりマニホールドは閉塞されている。このため、入口マニホールドと出口マニホールドの流れの向きは逆になるいわゆるＵフローとなり、再びエンドプレート１９の出口に至る。

なお、単位発電セルの積層過程で利用したロッド２３の挿入孔は着脱可能なバルブ等で閉塞させる。排出側マニホールドのエンドプレート２４側では、ガス流量が少ないため、反応で生成された水がたまり易い。ロッド２３を挿入した孔はマニホールドに溜まった生成水の排出口として利用することができる。

ケース部材２０ｂに設けられる板ばね１５を片持ち梁として、端部に集中荷重が作用するモデルを仮定すると、荷重Ｐとたわみδには式（１）の関係がある。

また、最大応力σとたわみδとの間には式（２）の関係がある。

エンドプレート１９に設けられた板ばね配置用溝２８に取り付けられる両端固定梁板ばね１７は、両端固定梁として集中荷重が作用すると仮定すると、応力σとたわみδの間には式（３）の関係がある。

荷重Ｐとたわみδには式（１）の関係があり、また、荷重Ｐは式（４）で表されるので、所望の板ばねの数での設計が可能である。

板ばねの材質を決めるとヤング率が決まることから、所望の応力が得られるように上記の関係式から板ばねの板厚をパラメータとして設定する。このとき最大応力が許容応力以下になる必要がある。

［参考例］
この参考例は、全ての板ばねの応力が等しくなるように、板ばねの板厚を設定した場合である。板ばね１５の形状は図３（ａ）に示すとおりであり、エンドプレート１９に配置する板ばねは図３（ｂ）に示す両端固定梁板ばね１７とした。図７に示すように、両端固定梁板ばね１７ａ〜１７ｅの形状を全て同じにし、また、並列に配置した。両端固定梁板ばね１７の数はセパレータの面積に応じて式（４）により任意に決めることができる。

これらの板ばねを用いて積層体に面圧を付与する場合、荷重面全面で同じ締め付け圧を付与することが可能である。一様な面圧を付与することで、発電面において接触抵抗を低減できると共に、接触抵抗が一様となることから、電流が流れることによる発熱分布も一様となり、性能低下を抑制することが可能である。

［実施例１］
本実施例では、エンドプレート１９の板ばね配置用溝に配置する板ばねのうち、周辺のシール部分に配置する板ばねと中央の発電部分に配置する板ばねの大きさを変えた。また、発電部分に配置する両端固定梁板ばね１７ｇの応力を、周辺のシール部分に配置される両端固定梁板ばね１７ｆの応力に比べて大きくした。両端固定板ばね１７ｆの応力は、ケース部材２０ｂに設ける板ばね１５の応力と同じである。本実施例の板ばねの配置例を図８に示す。

この構成により、発電部周囲のシール部分よりも発電部分に大きな荷重を付与することが可能である。

反応ガスや冷却水の漏洩を防止するためのシールには、様々な構造が提案されており、シール構造によっては締め付け面の任意の位置に対して締め付け圧力を変えることが望ましい場合もある。本実施例はシート状のシール、いわゆる面シールを用いる場合に有効である。シート状のシールは荷重を受ける面が広く、高反力となることから締め付け荷重に対する縮みは小さい。このような場合、発電面に周囲より強い締め付け圧を付与し、ガス拡散層を圧縮させることで、接触抵抗を低減できる。

［実施例２］
本実施例も、シール部と発電部の板ばねの応力が異なる場合である。ケース部材２０ｂに設ける板ばね１５と、図８に示す位置に両端固定板ばね１７ｆの応力を同じくし、且つ、両端固定板ばね１７ｇの応力よりも大きく設定した。

本実施例はリップ形状のシール、いわゆる線シールを用いる場合に有効である。発電セルを積層し、締め付け荷重を付加するとリップが潰れ、確実なシールがなされるのが線シールの特徴である。このため、シール部に大きな荷重を付与し、発電面のガス拡散層がセパレータに十分接するまでシールを変形させることで、確実なシールと接触抵抗の低減に繋がる。

単位発電セルの構成を示した概略図。 セパレータの構造を示す模式的平面図。 板ばねの構造を示した概略図。 本実施例に係る燃料電池の模式図。 セル積層方法を示す模式図。 マニホールド機構を備えたエンドプレートの模式図。 板ばね配置の一例を示した図。 板ばね配置の別の例を示した図。 燃料電池のシールの状況を示す断面図。

符号の説明

１…電解質膜・電極触媒複合体、２ａ、２ｂ…ガス拡散層、３…セパレータ、４…セパレータ、５…アノードガス流路、６…カソードガス流路、７…冷却水流路、８…単位発電セル、９…アノードガス（またはカソードガス）マニホールド、１０…冷却水マニホールド、１１…カソードガス（またはアノードガス）マニホールド、１２…シール部材、１３…セパレータ反応ガス面、１４…セパレータ冷却水面、１５…板ばね、１７…両端固定梁板ばね、１８…燃料電池スタック、１９…エンドプレート、２０ａ、２０ｂ…ケース部材、２１…集電板、２２…セル構成部品、２３…ロッド、２４…エンドプレート、２５…カソードガス供給口、２６…カソードガス排出口、２７…板ばね固定用ネジ孔、２８…板ばね配置用溝、２９…流体供給口。

Claims (4)

1. 電解質膜と電極触媒を一体化した電解質膜・電極触媒複合体の両側にガス拡散層とセパレータを備えた単位発電セルを、前記セパレータに形成されたマニホールドの周囲および前記セパレータの周囲をシールするシール部材とともに複数積層し、得られた積層体を一対のエンドプレートと前記積層体を包囲するケース部材とにより積層方向に締め付けるようにした燃料電池において、
   前記一対のエンドプレートを連結するロッドを使用せず、前記積層体に付与する締め付け荷重が複数種の板ばねにより与えられており、
   前記一対のエンドプレートの少なくとも一方には、前記板ばねとして、前記積層体のセル中央の発電部分に荷重を付与する第１の両端固定梁板ばねと、前記積層体のセル周辺のシール部分に荷重を付与する第２の両端固定梁板ばねとが配置され、前記第１の両端固定梁板ばねの最大応力と前記第２の両端固定梁板ばねの最大応力とが異なっており、
   前記ケース部材の端部には、前記板ばねとして、前記積層体のセル周縁部分に締め付け荷重を付与する片持ち梁板ばねが配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記シール部材が線シールであり、
   前記第２の両端固定梁板ばねは前記第１の両端固定梁板ばねよりも高い最大応力を有し、前記セル周辺のシール部分の締め付け圧が前記セル中央の発電部分の締め付け圧よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール部材が面シールであり、
   前記第１の両端固定梁板ばねは前記第２の両端固定梁板ばねよりも高い最大応力を有し、前記セル中央の発電部分の締め付け圧が前記セル周辺のシール部分の締め付け圧よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記第１の両端固定梁板ばねおよび前記第２の両端固定梁板ばねが配置された前記エンドプレートに、それらの両端固定梁板ばねを配置するための溝が形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池。

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