JP2000067902A

JP2000067902A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2000067902A
Application number: JP10233153A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本; Koji Nakagawa; 浩司仲川; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Kazuhito Hado; 一仁羽藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2000-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: JP4083303B2

Abstract

(57)【要約】【課題】素電池積層体を締結する部品のコンパクト化
により、体積出力密度の向上した高分子電解質型燃料電
池を提供する。【解決手段】高分子電解質膜を電極および電極へのガ
ス供給路を有する一対のバイポーラ板で挟持した素電池
の複数を含む素電池積層体、並びに素電池積層体を囲繞
し高分子電解質膜、バイポーラ板などを所定の圧力で締
め付けるバンドを具備する高分子電解質型燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池、さらに詳しくは高分子電解質膜を一対の電極お
よび電極へのガス供給路を有する一対のバイポーラ板で
挟持した素電池の積層体を締め付ける構造の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、通常プロト
ン伝導性の高分子電解質薄膜、アノードおよびカソード
の電極、それぞれの電極周縁部に位置するガスケット、
並びにカーボンあるいは金属製のバイポーラ板や冷却板
から構成されている。電池反応に寄与する電極触媒層
は、貴金属触媒を担持したカーボン粉末と電解質と同等
の材料の混合物を構成材料とし、場合によってはさらに
フルオロカーボン化合物系の撥水材などを添加した混合
物が一般的な構成材料である。電極は、前記電極触媒層
とガス拡散層とを接合して構成される。このようにして
構成した電極は、電解質である高分子膜と組み合わせて
電池を構成する。アノードおよびカソードの構成材料
は、純水素を燃料として用いる場合、同一のものを使用
することが可能である。炭化水素系燃料を改質した水素
リッチなガスを燃料とする場合、改質ガス中に含まれる
一酸化炭素による貴金属触媒の被毒を抑制するため、ア
ノード側のみにルテニウムなどの耐ＣＯ被毒材料を添加
して構成することもある。

【０００３】電解質には、スルホン基を含むフッ化炭素
系の高分子が一般的に用いられ、水分を含んだ状態でプ
ロトン伝導性の電解質として機能する。そのため電池の
作動状態では、電解質は、常に水分を含んだ状態である
必要があるが、水分を含んだ状態の電解質は、強酸性を
呈する。そのため、電解質と直接接する部分の材料には
耐酸性が要求される。また、電極中にも電解質と同等の
材料が混合されているため、電極と直接接する部分の材
料にも耐酸性が要求される。

【０００４】そのため、従来は、電解質と直接接するガ
スケットなどには、耐酸性の強いフルオロカーボン系の
材料が主として用いられてきた。一方、ガスケットは、
電極の周縁部に位置し、バイポーラ板に狭持されてそれ
ぞれの電極に供給されるガスを外部に逃さない役目を果
たしている。テフロン等の硬いガスケットを予め電極の
周縁部に設置した後、バイポーラ板で狭持して電池とす
るためには、電極とガスケットの厚みを予め精度よく調
整しておく必要がある。しかし、ガスケットがゴム状の
弾力性を有すれば、厳密な寸法精度は必要なく、ある程
度の厚み調整でガスケットとしての機能を果たすことが
可能となる。そこで、ガスケットに求められる特性とし
て、耐酸性と共に、ゴム状の弾力性を有することが望ま
しい。そのため、テフロンと比較すると耐酸性は劣る
が、弾力性を有するエチレン−プロピレン−ジエン三元
共重合体配合物（ＥＰＤＭ）等がガスケット材料として
使用されるケースもあった。

【０００５】また、バイポーラ板は、電極と直接接する
ため耐酸性が要求されると同時に、ガスタイトであるこ
とと電気伝導性が求められる。また、酸化剤として空気
を用いる場合には、カソードに供給される空気の流速を
高めて、生成する水または水蒸気を効率よく排除してや
る必要がある。そこでバイポーラ板のガス流路構造に
は、図２に示すような、通常サーペンタイン型と呼ばれ
る複雑な流路構造が用いられてきた。そのため、バイポ
ーラ板の材料としては、ガスタイトである緻密なカーボ
ン板、樹脂を含浸したカーボン板、あるいはグラッシー
カーボン等のカーボン系材料を用い、これに切削加工を
施し、ガス流通溝を設けてバイポーラ板として用いてき
た。また、場合によっては耐食性合金板を切削加工し、
あるいは貴金属メッキを施してバイポーラ板として用い
てきた。さらに、場合によっては、電極と接する電気伝
導性の必要な部位にのみ、前記カーボン系材料や耐食性
金属材料を用い、周辺部のマニホールド部などの電気伝
導性の必要ない部分には樹脂を使った複合材料のバイポ
ーラ板等の試みもあった。また、カーボン粉末や金属粉
末と樹脂とを混合し、プレスまたは射出成形により成形
することも考案されている。

【０００６】これら、高分子電解質薄膜、アノードおよ
びカソードの電極、それぞれの電極周縁部に位置するガ
スケット、およびバイポーラ板や冷却板から構成される
素電池積層体２０の上下を挟む端板１２、１３を締めつ
ける従来の締結構造は、図８に示すように、ばね１４、
ボルト１５及び、ナット１６で構成されるのが一般的で
ある。これら締結部品は、冷却水または内部加湿部の水
またはガスをシールするため、または、燃料電池構成部
品間各々の電気伝導性を高めるため、所定の一定荷重を
かけて締め付ける役目をしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この高
分子電解質型燃料電池においては、電池の反応に直接寄
与しない部分である締結構成要素のコンパクト化によ
り、体積出力密度の向上が要求されている。本発明は、
高分子電解質型燃料電池の締結部品のコンパクト化によ
り、体積出力密度の向上を図ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、従来、ボルト、ばね、およびナットで構成
されていた締結構造を、バンドによる締め付ける構造と
したものである。本発明によれば、締結部品のコンパク
ト化により、より体積出力密度の高い高分子電解質型燃
料電池が得られる。

【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、高分子電解質膜、前記電解質膜の中央部を挟持する
アノードおよびカソード、前記電解質膜の周縁部を挟持
するガスケット、および前記電極へのガス供給路を有し
前記電極およびガスケットを挟持する一対のバイポーラ
板からなる素電池の複数を含む素電池積層体、並びに前
記素電池積層体を囲繞し前記高分子電解質と前記バイポ
ーラ板と前記ガスケットを所定の圧力で締め付けるバン
ドを具備することを特徴とする。この構造によれば、薄
い板からなるバンドにより締結できるため、狭いスペー
スで構成できるという利点を有する。

【００１０】また、バンドを複数個にすることにより、
各々のバンドにかかる力を分散させ、応力集中を低減さ
せることができる。バンドの締め付け力に抗する方向の
反発力を有するばねを付加することにより、素電池の構
成要素に一定圧力を常に負荷することができる。この構
成によると、バンドの締結力をばねにより管理すること
で均一に加重を加え、また、熱変形、振動による微小変
形に対しても比較的大きなばね定数のばねを使用するこ
とで常に一定加重を加え続けることができる。また、ば
ねを加重を加えたい位置に自由に配置することが可能に
なり、冷却水または内部加湿部の水またはガスをシール
するためにもっとも圧力を加えたい部分、または、燃料
電池構成部品間各々の電気伝導性を高めるためにもっと
も圧力を加えたい部分に加重を重点的に負荷することが
可能になる。

【００１１】以下に具体的な実施の形態を説明する。ま
ず、図１により素電池積層体の構造を説明する。１は方
形の高分子電解質膜を表している。この電解質膜１の中
央部は、アノード２ａとカソード２ｂにより挟持され、
周縁部はガスケット３ａと３ｂとにより挟持されてい
る。上記の電解質膜−電極組立体は、バイポーラ板４ａ
と４ｂにより挟持される。バイポーラ板４ａは、図２に
示すように、アノード２ａと接する面に、アノードへの
酸化剤ガスの供給路を形成する溝５ａが設けられてい
る。溝５ａの一方は酸化剤ガスの供給口６ａに、また溝
５ａの他方は酸化剤ガスの排出口７ａにそれぞれ連通し
ている。一方、バイポーラ板４ｂは、カソード２ｂと接
する面に、カソードへの燃料ガス供給路を形成する溝５
ｂが設けられている。この溝５ｂの一方は燃料ガス供給
口６ｂに、また溝５ｂの他方は燃料ガスの排出口７ｂに
それぞれ連通している。

【００１２】そして、ガス供給口６ａ、６ｂおよびガス
排出口７ａ、７ｂは、バイポーラ板４ａ、４ｂのみでな
く、ガスケット３ａ、３ｂをも貫通しており、複数積層
された各セルに並列に酸化剤ガス及び燃料ガスが供給さ
れるようになっている。また、バイポーラ板の背面には
冷却水を通すための溝８が設けてあり、隣接するセルバ
イポーラ板４ａと４ｂとの間には冷却水の通路が形成さ
れ、これら溝８は、積層体に貫通して設けられる供給口
９および排出口１０に連通している。このようにして、
電解質膜１をアノード２ａとカソード２ｂおよびガスケ
ット３ａと３ｂで挟み、さらにこれらをバイポーラ板４
ａ、４ｂで挟んだ構造の単セルを複数積層し、さらに端
末用バイポーラ板１１ａと１１ｂで挟むことにより素電
池積層体２０が構成されている。

【００１３】以下、この素電池積層体を締結した燃料電
池装置の実施の形態を説明する。《実施の形態１》図３は第１の実施の形態の燃料電池装
置を示している。素電池積層体２０は、比較的剛直な端
板２１と２１により上下を挟まれている。そしてこれら
全体は、幅の広い帯状のバンド２２で囲繞し、バンドの
両端部２２ａと２２ｂはボルト２３およびナットで締結
される。すなわちバンドの端部同志２２ａ、２２ｂ間に
は隙間があり、これをせばめるようにボルトとナットを
締め付けることにより、素電池積層体の各要素は相互に
一定の加重下で密着している。これにより高分子電解質
型燃料電池の要素部品の内部を通過する冷却水または内
部加湿部の水またはガスは、確実にシールされる。ま
た、高分子電解質型燃料電池の要素部品間各々の電気伝
導性が高められる。バンド２２は弾性体で、好ましくは
ステンレス鋼等の金属類またはゴム、樹脂により構成さ
れる。バンド２２により締結された高分子電解質型燃料
電池は、締結部品の省スペース化が図れることにより、
コンパクトで体積出力密度の高いものとなる。

【００１４】《実施の形態２》図４は第２の実施の形態
を示している。この例では、複数のバンド３２で締めつ
ける構成としている。このため実施の形態１の効果に加
え、バンド１本当たりに加わる加重が分散され、応力集
中を低減させる作用を有する。また、この例では、バン
ドの端部同志３３ａ、３３ｂをボルト３３とナットで締
めつける部分を電池装置の上面に配している。

【００１５】《実施の形態３》図５〜７は第３の実施の
形態を示している。この燃料電池装置は、素電池積層体
４０の上下に端板４１ａ、４１ｂを配し、これらを複数
のバンド４２で締めつける点では実施の形態２と同じで
ある。しかし、バンドによる締めつけ構造が異なってい
る。その締めつけ構造を以下に説明する。素電池積層体
４０を囲繞するバンド４２は一体に連結された構造を有
する。かわりに、バンドの両端部が締めつけボルト４３
を螺合した締めつけ板４８に連結ないしは係合されてい
てもよい。端板４１ｂのバンド４２と対応する位置に
は、締めつけ板４４が設けられ、端板４１ｂおよび締め
つけ板４４の対向する部分には、ばね４５を受け入れる
凹部４６および４７をそれぞれ有する。

【００１６】ボルト４３を締めつけ板４８へ螺入させる
と、ボルト先端が端板４１ａを押圧し、端板４１ｂと締
めつけ板４４との間のばね４５を圧縮し、これによって
素電池積層体４０の各構成要素を締めつける。このよう
にして、バンド４２による締結力をばねにより管理し、
所定の一定加重を加え続けることができる。ばねとして
は、図７では圧縮つる巻きばねで示されているが、例え
ば皿ばね、板ばね、ゴムなどの弾性体等が使用でき、特
に皿ばねは省スペース化の点から好ましい。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高分子電
解質型燃料電池の締結部品の省スペース化を図り、高分
子電解質型燃料電池の体積出力密度を向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における素電池積層体の縦断
面図である。

【図２】同素電池積層体のバイポーラ板の平面図であ
る。

【図３】本発明の一実施例における燃料電池装置の斜視
図である。

【図４】本発明の他の実施例における燃料電池装置の斜
視図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例における燃料電池装
置の平面図である。

【図６】同燃料電池装置の正面図である。

【図７】図６のVII−VII’縦断面図である。

【図８】従来の燃料電池装置の締めつけ装置の縦断面図
である。

【符号の説明】

１高分子電解質膜２ａアノード２ｂカソード３ａ、３ｂガスケット４ａ、４ｂバイポーラ板５ａ、５ｂ、８溝６ａ、６ｂガス供給口７ａ、７ｂガス排出口９冷却水供給口１０冷却水排出口１１ａ、１１ｂ端末用バイポーラ板２０、４０素電池積層体２１，４１ａ、４１ｂ端板２２、３２、４２バンド２３、３３、４３ボルト４４、４８締め付け板４５ばね４７、４７凹部

フロントページの続き (72)発明者行天久朗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Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CC03 CX00 CX08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子電解質膜、前記電解質膜の中央部
を挟持するアノードおよびカソード、前記電解質膜の周
縁部を挟持するガスケット、および前記電極へのガス供
給路を有し前記電極およびガスケットを挟持する一対の
バイポーラ板からなる素電池の複数を含む素電池積層
体、並びに前記素電池積層体を囲繞し前記高分子電解質
と前記バイポーラ板と前記ガスケットを所定の圧力で締
め付けるバンドを具備することを特徴とする高分子電解
質型燃料電池。
【請求項２】バンドが、複数個で構成されている請求
項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】素電池積層体が前記バンドの締め付け力
に抗する方向の反発力を有するばねを具備する請求項１
または２に記載の高分子電解質型燃料電池。