JP2000067887A

JP2000067887A - 固体高分子型燃料電池

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Publication number: JP2000067887A
Application number: JP10234501A
Authority: JP
Inventors: Hideo Obara; 英夫小原; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Kazufumi Nishida; 和史西田; Makoto Uchida; 誠内田; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Yasushi Sugawara; 靖菅原; Teruhisa Kanbara; 輝壽神原; Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2000-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: JP3420508B2

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量化かつコンパクトな固体高分子型燃料電
池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜と、固体高分子電解
質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極
と、電極の一方に水素を含有する燃料を供給分配しかつ
電極の他の面に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手
段とを具備した単位電池を、導電性のセパレータを介し
て複数個積層した高分子電解質型燃料電池であり、積層
された単位電池の両端面を押さえるエンドプレートと、
エンドプレートを締結する連結部材と、連結部材と前記
エンドプレートに締結力を与える板バネ機能を有した補
助プレートを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
される常温作動型の固体高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、水素などの燃
料ガスと空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極によって
電気化学的に反応させるもので、電気と熱を同時に発生
させるものである。固体高分子型燃料電池の一例を図６
に示す。水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜
３の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉
末を主成分とする触媒反応層２が密着して配されてい
る。さらに触媒反応層２の外面には、ガス通気性と導電
性を兼ね備えた一対の拡散層１が密着して配されてい
る。この拡散層１と触媒反応層２により電極９が構成さ
れる。

【０００３】電極９の外側には、これらの電極９および
高分子電解質３の電極電解質接合体（以下、ＭＥＡとす
る）１０を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ
１０同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板４が配されている。セパレータ板４の電
極９と接触する部分には、電極９に燃料ガスおよび酸化
剤ガスを供給しかつ反応により発生したガスや余剰のガ
スを運び去るためのガス流路５が形成されている。ま
た、セパレータ板４の他方の面には、電池温度を一定に
保つための冷却水を循環させる冷却流路２４が設けられ
ている。このように冷却水を循環させることにより、反
応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用
される。水素や空気が電池外へリークしたり互いに混合
しないように、さらには冷却水が電池外へリークしない
ように、電極９の周囲には高分子電解質膜３を挟んでシ
ール材１７やＯリング１８が配される。また、別のシー
ル方法としては、図７に示すように、電極９と同程度の
厚さを有し、樹脂や金属板からなるガスケット１９を電
極の周りに配して、ガスケット１９とセパレータ板４と
の隙間をグリースや接着剤でシールした構造もある。さ
らに、近年では、高分子電解質膜３と同じ大きさの電極
９を用いたＭＥＡ１０を用い、図８に示すように、ガス
シールが必要な部分に、あらかじめシール効果を有する
樹脂２１をしみこませこれを固化させたものを用いるこ
とによって、電極９とセパレータ板４の間をガスシール
性を確保する方法も提案されている。

【０００４】多くの燃料電池は、単電池を数多く重ねた
積層構造を採っている。燃料電池運転時には電力ととも
に発生する熱を電池外に排出するために、積層電池では
単電池１〜２セル毎に冷却板が配されている。冷却板と
しては薄い金属板の内部に冷却水などの熱媒体が貫流す
るような構造が一般的である。また、図６〜８に示すよ
うに、単電池を構成するセパレータ板４の背面、すなわ
ち冷却水を流したい面に流路を形成し、セパレータ板４
自体を冷却板として機能させる方法もある。その際、冷
却水などの熱媒体をシールするためにＯリングやガスケ
ットも必要となるが、このシールではＯリングを完全に
つぶすなどして上下の冷却板間で十分な導電性を確保す
る必要がある。

【０００５】このような積層電池では、マニホルドと呼
ばれる各単電池へのガス供給孔やガス排出孔、さらには
冷却水の供給排出孔を、積層電池内部に確保したいわい
る内部マニホルド型が一般的である。しかしながら、改
質実ガスを用いて電池運転する場合、各電池の燃料ガス
流路下流域でＣＯ濃度が上昇する結果、電極被毒によっ
て温度が低下し、その温度の低下が電極被毒を一層促進
させることになる。このような電池性能低下現象を緩和
するため、マニホルドから各単電池へのガスの供給排出
部の間口をできるだけ広く取れる構造として外部マニホ
ルド型も見直されている。いずれにしても、冷却部を含
む多数の単電池を一方向に積み重ね、その両端面にそれ
ぞれ端板を配し、一対の端板の間を締結ロッドによって
固定することが必要である。締め付け方式としては、単
電池を面内でできるだけ均一に締め付けることが望まし
く、機械的強度の観点から端板や締結ロッドには、通常
ステンレス鋼などの金属材料が用いられる。これらの端
板や締結ロッドと積層電池とは、絶縁板などによって電
気的に絶縁され、電流が端板を通して外部に漏れ出るこ
とのない構造となっている。締結ロッドについても、セ
パレータ板に形成された貫通孔の中を通したり、積層池
全体を端板越しに金属のベルトで締め上げたりした改良
された方式も提案されている。

【０００６】さらに、図６〜８に示すいずれのシール方
法でも、シール性を維持するためには恒常的な締め付け
圧が必要で、締結ロッドと端板の間にスクリューバネや
皿バネを挿入するなどの構成を採っている。また、この
締め付け圧力によって、セパレータ、電極、電解質膜な
どの電池を構成する部材間の電気的接触を確保してい
る。電極の周囲にシール材やＯリングを配する方法で
は、水素ガスや空気などのガスシールのため、相当な面
圧が必要になる。そのため、シール材やシール部をその
上下に配されたセパレータ板で挟み付けることによっ
て、シール効果を維持していく構造がとられている。こ
の方法によると、比較的大きな締め付け力を恒常的に加
える必要があるため、端板や締め付けロッドなどの締め
付け機構が長大になり、燃料電池全体の重量を大きくす
る原因になっていた。また、長期間シール部や電極部に
圧力かかかると、構成部材にひずみが生じる。その結
果、シールや電極に必要な面圧が低下するため、ひずみ
量を吸収する機構が締め付け機構に必要とされる。そこ
で、従来、締め付けロッド端部にバネを設置し締結して
いたが、このような方法は、機構の大型化を招いてい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の問題
点を解決し、小型で簡易な構成の積層電池の締結機構を
備えた固体電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。また、長時間の加圧によるクリープ変形を抑制する
ことができる積層電池の締結機構を備え、長期安定性に
優れた固体電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子型燃
料電池は、電解質膜、触媒反応層を有する電極、セパレ
ータなどの電池構成部材からなる単電池を複数個重ねた
積層電池であって、両端部を押さえるエンドプレートと
エンドプレートを連結する連結部材およびエンドプレー
トと連結部材に締結力を与える板バネ機能を有した補助
プレートで積層電池を締結する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟ん
で配された触媒反応層を有する一対の電極と、電極の一
方に水素を含有する燃料を供給分配しかつ電極の他の面
に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備し
た単位電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層
した高分子電解質型燃料電池であり、積層された単位電
池の両端面を押さえるエンドプレートと、エンドプレー
トを締結する連結部材と、連結部材と前記エンドプレー
トに締結力を与える板バネ機能を有した補助プレートを
具備する。本発明の他の高分子電解質型燃料電池は、固
体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟んで配さ
れた触媒反応層を有する一対の電極と、電極の一方に水
素を含有する燃料を供給分配しかつ電極の他の面に酸素
を含む酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備した単位
電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した高
分子電解質型燃料電池であり、積層された単位電池の両
端面を押さえる板バネからなるエンドプレートと、エン
ドプレートを締結する連結部材を具備する。このとき、
締結に用いるエンドプレートの片側のみを、板バネ機能
を有する部材で構成してもよい。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。

【００１１】《実施例１》粒径が数ミクロン以下のカー
ボン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によっ
てカーボン粉末表面に白金触媒を担持させた。このとき
のカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。つ
いで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質
のアルコール溶液中に分散させ、スラリーを調製した。
一方、電極となる厚さ４００ミクロンのカーボンペーパ
ーをフッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業
（株）製の「ネオフロンＮＤ−１」）に含浸して乾燥
後、４００℃で３０分間、熱処理してこのカーボン粉末
に撥水性を付与した。撥水処理を施したカーボンペーパ
ーの片面に、得られたカーボン粉末を含むスラリーを均
一に塗布して、図１に示す触媒反応層２を形成し、電極
９を得た。触媒反応層２を備えた一対のカーボンペーパ
ーを、触媒反応層２を備えた面を内側に向けて向かい合
わせ、高分子電解質膜３を挟んで重ね合わせた後、これ
を乾燥して電極電解質接合体（以下、ＭＥＡとする）１
０を得た。このＭＥＡ１０を、その両面から気密性を有
するカーボン製のセパレータ板４で挟み込んで、単電池
を組み立てた。

【００１２】セパレータ板４は、厚さが４ｍｍで、その
表面には切削加工により幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流
路５が形成されていて、その周辺部にはガスのマニホル
ド孔６と冷却水のマニホルド孔７が配されている。ま
た、ＭＥＡ１０をセパレータに挟み込む際、電極９の周
りにはカーボン製のセパレータと同じ外寸のポリエチレ
ンテレフタラート（ＰＥＴ）製シートの両面にＥＰＤＭ
シートを張り付けたガスケット８を配した。このような
単電池を２セル積層した後、冷却水を流す冷却流路２４
を有するセパレータ板４を積層し、電池構成単位を得
た。なお、従来の燃料電池のように、冷却流路２４のシ
ールのために、Ｏリングは用いなかった。

【００１３】上記の電池構成単位を用いて、図２および
図３に示すような高分子型燃料電池を組み立てた。積層
電池１０６の出力は、一対の出力端子１０８より、外部
機器（図示せず）に供給される。燃料ガス供給口１０９
および酸化剤ガス供給口１１０は、それぞれ積層電池の
燃料ガス供給用のマニホルド（図示せず）および酸化剤
ガス供給用のマニホルド（図示せず）とそれぞれ連通し
ている。反応により発生したガスや未反応のガスは、燃
料ガス排出口１１２および酸化剤ガス排出口１１３より
電池外に排出される。また、冷却水供給口１１１より電
池に供給された冷却水は、電池内を通過した後、冷却水
排出口１１４より電池外に排出される。

【００１４】まず、電池構成単位を５０個積層して構成
された積層電池１０６の両端面に、それぞれ金属製の集
電板１００および絶縁板１０１を順に重ね合わせた。さ
らに、この積層体の両端面にそれぞれ端板１０２および
１０３を重ね合わせた。ついで、端板１０２の上面に、
バネ鋼からなる補助プレート１０７を配した。板状の連
結部材１０４は、一対の側辺部にフック１０４ａおよび
１０４ｂを有する。連結部材１０４のフック１０４ａお
よび１０４ｂを、補助プレート１０７の外表面の周縁部
に設けられた凹部１０７ａおよび端板１０３の外表面の
周縁部に設けられた凹部１０３ａにそれぞれ係合し、補
助プレート１０７の雌ネジ部１０７ｂに雄ネジ１０５を
螺合して、その先端で積層電池１０６を押圧することに
より固定した。これにより、補助プレート１０７は板バ
ネとして機能する。すなわち、補助プレート１０７に装
着された雄ネジ１０５が端板１０２を押しつけることに
より、補助プレート１０７に連結された連結部材１０４
に締結力が働く。その際、補助プレート１０７は、雌ネ
ジ部１０７ｂと凹部１０７ａの間で締結力に対応したひ
ずみが生じる。このひずみにより、発生した締結力を維
持することが可能になる。締結されている積層電池１０
６は、その材質的特性から経時的にクリープ変形する
が、このようなクリープ変形を補助プレート１０７の板
バネ機能により吸収し、恒常的に積層電池１０６に安定
した締結力を与え続けることが可能になる。

【００１５】《実施例２》実施例１で用いたものと同様
の電池構成単位を用いて図４および図５に示す高分子型
燃料電池を組み立てた。電池構成単位を５０個積層して
構成される積層電池１０６の両端面に、それぞれ金属製
の集電板１００および絶縁板１０１を順に重ね合わせ
た。さらに、この積層体の両端面にそれぞれ端板１２０
および１２１を重ね合わせた。ついで、端板１２０およ
び１２１のそれぞれ互いに対向する箇所に形成された貫
通孔にボルト１２２を通し、その先端に、クリープ変形
吸収用のバネ１２３を介してナット１２４を螺合した。
これにより、積層電池１０６は、その積層方向に圧縮さ
れて固定される。ここで、端板１２０および１２１は、
その端部にあらかじめ積層電池１０６に対向する面と反
対の方向に両端にそりが設けられていて、板バネとして
機能する。このように、端板１２０および１２１を連結
部材で締結することにより、両者に挟まれた積層電池１
０６に締結力が働く。一般に、電池全体の小型化のた
め、端板の締結はその端部で行われる。そこで、端板に
あらかじめそりをもうけておくことで、端板間を締結す
るとこれらそれぞれにその締結力に対応したひずみが生
じる。したがって、積層電池全体に必要な締結力で締結
した場合でも積層電池に均一な面圧を発生させることが
可能になる。このとき、片側の端板だけそり量を最適化
した構成でも同様の効果を有する。

【００１６】

【発明の効果】本発明によると、積層電池に締結力を与
える機構を軽量化できるため、軽量かつコンパクトな固
体高分子型燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の固体高分子型燃料電池の要
部の構成を示す斜視図である。

【図２】同固体高分子型燃料電池の縦断面図である。

【図３】同固体高分子型燃料電池の外観を示す図であっ
て、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。

【図４】本発明の他の実施例の固体高分子型燃料電池の
正面図である。

【図５】同固体高分子型燃料電池の平面図である。

【図６】固体高分子型燃料電池における流体のシール方
式の例を示した要部の縦断面図である。

【図７】固体高分子型燃料電池における他の流体のシー
ル方式の例を示した要部の縦断面図である。

【図８】固体高分子型燃料電池におけるさらに他の流体
のシール方式の例を示した要部の縦断面図である。

【符号の説明】

１拡散層２触媒反応層３固体高分子電解質膜４セパレータ板５ガス流路６ガスのマニホルド孔７冷却水のマニホルド孔８ガスケット９電極１０電極電解質接合体１７シール材１８Ｏリング１９ガスケット２１樹脂２４冷却流路１００集電板１０１絶縁板１０２、１０３、１２０、１２１端板１０３ａ凹部１０４連結部材１０４ａ、１０４ｂフック１０５雄ネジ１０６積層電池１０７補助プレート１０７ａ凹部１０７ｂ雌ネジ部１０８出力端子１０９燃料ガス供給口１１０酸化剤ガス供給口１１１冷却水供給口１１２燃料ガス排出口１１３酸化剤ガス排出口１１４冷却水排出口１２０ａ、１２１ｂ貫通孔１２２ボルト１２３バネ１２４ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽藤一仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西田和史大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者内田誠大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者安本栄一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者菅原靖大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者神原輝壽大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松本敏宏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC08 CX08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電
極と、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給
分配しかつ前記電極の他の面に酸素を含む酸化剤ガスを
供給分配する手段とを具備した単位電池を、導電性のセ
パレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電
池であって、積層された前記単位電池の両端面を押さえ
るエンドプレートと、前記エンドプレートを締結する連
結部材と、前記連結部材と前記エンドプレートに締結力
を与える板バネ機能を有した補助プレートを具備する固
体高分子型燃料電池。
【請求項２】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電
極と、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給
分配しかつ前記電極の他の面に酸素を含む酸化剤ガスを
供給分配する手段とを具備した単位電池を、導電性のセ
パレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電
池であり、積層された前記単位電池の両端面を押さえる
板バネからなるエンドプレートと、前記エンドプレート
を締結する連結部材を具備することを特徴とする固体高
分子型燃料電池。
【請求項３】締結に用いる一対のエンドプレートの一
方に、板バネ機能を有する部材を用いた請求項２記載の
固体高分子型燃料電池。