JP2000067903A

JP2000067903A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000067903A
Application number: JP10234371A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Hideo Obara; 英夫小原; 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
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: JP4083304B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の固体高分子型燃料電池は、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がちで重量
的観点からも電池全体の軽量化に向けた課題となってい
る。【解決手段】本発明の固体高分子型燃料電池は、積層
電池の両端面を押さえるエンドプレートと、エンドプレ
ートを締結する締結部材と、締結部材とエンドプレート
に締結力を与えるばねを有した補助プレートと、ボルト
を有した補助プレートとを具備し、前記ばねが皿状の形
態を有するばねとする。また、前記締結部材を複数の部
分に分割する。また、前記締結部材が断熱効果を有す
る。また、前記ばねを有した補助プレートを複数の部分
に分割する。また、前記ボルトを有した補助プレートを
複数の部分に分割する。

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、電気と熱を同時に供給するものであ
る。水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両
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が密着して形成される。触媒反応
層の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の
拡散層が密着して形成され、これと触媒反応層と合わせ
て電極とされる。電極の外側には、これらの電極および
電解質の接合体を機械的に固定するとともに、隣接する
接合体を互いに電気的に直列に接続するための導電性の
セパレータ板が配置される。セパレータ板の電極と接触
する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや
余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。

【０００３】この種燃料電池の単電池の構造を図により
説明する。図１０は、高分子電解質膜３を触媒反応層２
を有する一対の電極１で挟持するとともに、電解質膜の
周縁部を一対のシール材１７で挟持し、これらを一対の
セパレータ板４で挟持した構成の単電池を示す。セパレ
ータ板４は、電極１に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給
するためのガス流路５を有する。シール材１７は、燃料
の水素や酸化剤の空気が電池外へリークしたり互いに混
合したりするのを防止するものである。単電池２セル毎
に、セパレータ板は一方の面にガス流路、他方の面に冷
却水を供給する流路を有するものが用いられている。そ
して、冷却水の漏洩を防止するために、冷却水の流路を
有するセパレータ板の間にはＯリングが介在させてあ
る。

【０００４】図１１は、ガスや冷却水の漏洩を防止する
ための別のシール方法として、樹脂や金属板からなるガ
スケット１９を電極と同程度の厚みにして電極１の周り
に配置し、セパレータ板との隙間をグリース２０や接着
剤でシールした例を示す。冷却水の流路を有するセパレ
ータ板間も同様にグリースや接着剤でシールされる。図
１２は、電極を高分子電解質膜と同じ大きさにして電解
質膜と接合した電極電解質接合体（ＭＥＡ）をセパレー
タ板と積層し、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を滲み込ませ固化させたも
のを用いた例である。この固化させた樹脂によって、セ
パレータ板との間のガスシール性を保持する。

【０００５】多くの燃料電池は、上記のような構造の単
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、電力発生と共に発熱が起こる。積層電池で
は、単電池１〜２セル毎に冷却板が設けられているか
ら、電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギ
ーを温水などの形で利用することができる。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、上記のように、単
電池を構成するセパレータ板の背面、すなわち冷却水を
流したい面に流路を加工して冷却板としたものもある。
その際、冷却水などの熱媒体をシールするための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冷却板の上下間で十分な導電
性を確保する必要がある。

【０００６】このような積層電池では、マニホールドと
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
いる内部マニホールド型が一般的である。しかしなが
ら、改質ガスを用いて電池運転する場合、各電池の燃料
ガス流路の下流域で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とがある。このような電池性
能の低下現象を緩和するため、マニホールドから各単電
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、外部マニホールド型も見直されている。

【０００７】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、その両端に２つの端板を配し、
その２つ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、セパレータ内部
の貫通孔の中を通したり、積層電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。また、図１０〜１２に示されるいずれの方式
によるシール方法でも、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あり、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が採ら
れる。また、この締め付け圧力によって、セパレータや
電極、電解質膜など電池の構成部材間の電気的接触が確
保される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】水素ガスや空気などの
ガスシールのため、電極の周囲にシール材やＯリングを
配する方法では、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上下の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、
比較的大きな締め付け力を恒常的に加える必要がある。
そのため、端板や締め付けロッドなどの締め付け機構が
長大になりがちで、重量的観点からも電池全体の軽量化
に向けた課題となっている。また、長期間シール部や電
極部に圧力がかかるため、構成部材が歪みを起こし、そ
の結果シール部や電極に必要な面圧が低下するため、歪
み量を吸収する機構が締め付け機構に必要とされ、締め
付けロッド端部にバネを設置し締結する構成がとられて
いる。このため小型化の障害となっていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解
質膜、前記電解質膜を挟んだ一対の電極、および前記電
極の一方に燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸化剤
ガスを供給する手段を具備した単位電池を複数個積層し
た高分子電解質型燃料電池において、前記積層電池の両
端面を押さえるエンドプレートと、前記エンドプレート
を締結する締結部材と、前記締結部材と前記エンドプレ
ートに締結力を与えるばねを有した補助プレートと、ボ
ルトを有した補助プレートとを具備することを特徴とす
る。ここにおいて、前記ばねは、皿状の形態を有するば
ねであることが好ましい。前記締結部材は、複数の部分
に分割されていることが好ましい。また、前記締結部材
は、断熱効果を有していることが好ましい。また、前記
ばねを有した補助プレートは、複数の部分に分割されて
いることが好ましい。また、前記ボルトを有した補助プ
レートは、複数の部分に分割されていることが好まし
い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。《実施の形態１》本実施の形態における燃料電池の締結
構造を図１〜３に示す。３０は単位電池の積層体を表し
ている。積層体３０の上下にはエンドプレート３１、３
２が配されている。出力端子４０、４１を有する単位電
池積層体３０とエンドプレート３１、３２とは、特に図
示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されて
いるものとする。エンドプレート３１、電池積層体３０
およびエンドプレート３２は、４カ所で締結されてい
る。すなわち、これらを囲繞する帯状のバンドからなる
締結部材３９、前記バンドの端部を固定した補助プレー
ト３３、エンドプレート３２の底面に設けた凹部３６と
対応させて設けた凸部３７に皿状のばね３８を装着した
補助プレート３４、および補助プレート３３に設けたね
じ穴に螺合させたボルト３５により電池積層体３０およ
びエンドプレート３１、３２が締結されている。ボルト
３５を補助プレート３３に螺入させると、補助プレート
３３はエンドプレート３１から離れる方向に移動し、そ
のためバンド３９により補助プレート３４がばね３８を
圧縮する方向に移動する。これによってエンドプレート
を介して積層体３０が締め付けられ、シール部や電極に
必要な面圧がかけられる。４２、４３、４４は、電極に
ガスを供給するためのガス供給口および冷却水供給口を
表す。それらの排出口は供給口を有する側とは反対側の
下面に設けられている。

【００１１】《実施の形態２》本実施の形態における燃
料電池の締結構造を図４〜６に示す。５０は単位電池の
積層体を表す。積層体５０の上下にはエンドプレート５
１、５２が配されている。エンドプレート５１の上には
ボルト５５をねじ穴に螺合した補助プレート５３が、ま
たエンドプレート５２の下にはエンドプレート５２の底
面に設けた凹部５６と対応させて設けた凸部５７に皿状
のばね５８を装着した補助プレート５４がそれぞれ配さ
れている。そして、補助プレート５３と５４とは、それ
らの周縁部に設けた凹６１に係合する凸部を上下に設け
たバンド５９からなる締結部材により連結され、ボルト
５５を補助プレート５３に螺入させることによりばね５
７を圧縮し、これによってエンドプレート５１、５２を
介して積層体５０が締め付けられ、シール部や電極に必
要な面圧がかけられる。この例では、出力端子６２と６
３は電池の上下に配されている。電極にガスを供給する
ためのガス供給口および冷却水供給口を設けたマニホル
ド６４と、ガス排出口および冷却水排出口を設けたマニ
ホルド６５とは、電池の側面に取り付けられている。

【００１２】《実施の形態３》本実施の形態における燃
料電池の締結構造を図７に示す。実施の形態２では、２
組の締結部材を用い、各組の補助プレート５３は２組の
ボルトで締め付ける構造としたが、本実施の形態では、
４組の締結部材を用い、各組の補助プレート５３ａは１
組のボルトで締め付ける構造とした他は実施の形態２と
同様な構造である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。《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、スラリー化した。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ＮＤ１）に含浸して乾燥後、４００℃で３０分熱処
理して撥水性を付与した。

【００１４】図８に示したように、撥水処理を施したカ
ーボンペーパー電極１の片面に前記のカーボン粉末を含
むスラリーを均一に塗布して触媒層２を形成した。２枚
のカーボンペーパー電極１を、触媒層を形成した面を内
側に向け、固体高分子電解質膜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（ＭＥＡ）とし
た。２枚のカーボンペーパー電極１は、長さおよび幅を
ともに１０ｃｍとし、一回り大きい長さ・幅ともに１２
ｃｍの高分子電解質膜３の中央に配置した。このＭＥＡ
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構成した。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２
ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路５を多数刻んでおり、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を配した。また、ＭＥＡをセパレータ板で挟み込む
際、電極１の周りにはカーボン製のセパレータ板と同じ
外寸のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製シート
８を配した。このＰＥＴシートは、硬くてシール性を有
しないが、カーボン製セパレータ板４と電解質膜３との
間のスペーサとして用いた。このような単電池を２セル
積層した後、冷却水が流れる冷却流路を形成したセパレ
ータ板を積層し、このパターンを繰り返して積層した。
冷却流路を有するセパレータ板間にはシール用Ｏリング
は用いなかった。このような電池構成単位を５０セル積
層し、両端部に金属製の集電板と電気絶縁材料からなる
絶縁板を配して積層体を構成した。

【００１５】この積層体の上下にエンドプレートを配
し、図１〜３で説明した実施の形態１の締結構造とし
た。すなわち、厚み１ｍｍ、巾２２ｍｍの金属（ＳＵＳ
３０４ーＣＳＰ）バンド３９の４本と、エンドプレート
３１、３２、補助プレート３３、３４、および皿ばね３
８で締結力を与える構造とした。ばね３８のばね定数は
５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して１箇所
当たり４００ｋｇの締結圧力を加え、組立時の締結圧力
を１３ｋｇｆ／ｃｍ²とした。感圧紙によりセパレータ
板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧
力分布となっていることが確認された。本実施例による
と、従来のセパレータ板外側にロッドを配置して締結力
を与える方法に比べ、セパレータ板の内側から締結力を
印加することができるため、エンドプレートの変形が激
減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下に
することも可能である。

【００１６】《実施例２》実施例１では、ＭＥＡの構造
として電極の周囲にＰＥＴシートのスペーサを配した
が、さらに次の構造を試みた。すなわち、ＰＥＴシート
を廃し、触媒層を塗布したカーボンペーパー電極をカー
ボン製セパレータ板と同じ外寸とし、したがって積層時
電極端部が電池の側表面に露出している構造である。こ
の時のカーボン製セパレータ板としては、図９に示すよ
うな外部マニホールド型のものを用いた。すなわち、２
セル毎に用いられるセパレータ板４ａは、片面に冷却水
の流路２２およびその出入り口１２、他の面に燃料ガス
または酸化剤ガス、例えば燃料ガスの流路およびその出
入り口１０をそれぞれ有する。前記セパレータ板４ａの
ガスの出入り口１０を有する面に接触する電極の対極に
接して、セパレータ板４ｂが配される。このセパレータ
板４ｂは、前記対極と接する面に酸化剤ガスの流路５お
よびその出入り口１１が設けられ、反対側の面には燃料
ガスの流路およびその出入り口１０が設けられている。
また、セパレータ板４ｂと単位電池を介して積層される
セパレータ板４ｃは、一方の面に酸化剤ガスの流路５お
よびその出入り口１１が設けられ、反対側の面には冷却
水の流路およびその出入り口１２が設けられている。そ
して、単位電池積層体の一側面には、前記ガスの出入り
口１０、１１および冷却水の出入り口にそれぞれ燃料ガ
ス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給するマニホルドが配
され、反対側の側面には前記ガスの出入り口１０、１１
および冷却水の出入り口からそれぞれ燃料ガス、酸化剤
ガスおよび冷却水を排出するマニホルドが配される。

【００１７】以上の電池構成の積層体の上下にエンドプ
レートを配し、図４〜６で説明した実施の形態２の締結
構造とした。すなわち、厚み１ｍｍ、巾７５ｍｍの金属
（ＳＵＳ３０４ーＣＳＰ）バンド５９の２本と、エンド
プレート５１、５２、補助プレート５３、５４、皿ばね
５８、およびボルト５５で締結力を与える構造とした。
ばね５８のばね定数は５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．
８ｍｍ圧縮して１箇所当たり４００ｋｇの締結圧力を加
え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ²とした。本
実施例では、バンド５９の端部に爪６０を溶接で接合
し、着脱可能としたため、実施例１のバンド構造と比べ
組立性が向上した。

【００１８】《実施例３》実施例２のタイプの電池構成
の積層体の上下にエンドプレートを配し、図７で説明し
た実施の形態３の締結構造とした。すなわち、厚み１ｍ
ｍ、巾７５ｍｍの金属（ＳＵＳ３０４ーＣＳＰ）バンド
５３ａの４本と、エンドプレート５１、５２、補助プレ
ート５３、５４、皿ばね５８、およびボルト５５で締結
力を与える構造とした。ばね５８のばね定数は５００ｋ
ｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して１箇所当たり４
００ｋｇの締結圧力を加え、組立時の締結圧力を１３ｋ
ｇｆ／ｃｍ²とした。さらに、実施例２の締め付けプレ
ートを２分割する構造とした。実施例２では、１枚の締
め付けプレートに対し４本のボルトで締め上げていたた
め、バンドの機械精度が悪いと４本のボルトに均等に加
重がかからなかった。これに対して、本実施例では、１
枚の締め付けプレートに対し２本のボルトで締め上げる
構成としたため、必ず均等に加重を負荷することができ
るようになった。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布
を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっ
ていることが確認された。また、この実施例では、ボル
ト側の締め付けプレートを２分割したが、ばね側の締め
付けプレートを２分割しても同様の効果が得られた。

【００１９】

【発明の効果】本発明によると、エンドプレートや締め
付けロッドなどの締め付け機構を小型、軽量化すること
ができ、電池全体の軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における固体高分子型燃料電
池の平面図である。

【図２】同電池の正面図である。

【図３】図２のIII−III’線断面図である。

【図４】本発明の他の実施形態における固体高分子型燃
料電池の平面図である。

【図５】同電池の正面図である。

【図６】図４のVI−VI’線断面図である。

【図７】本発明のさらに他の実施形態における固体高分
子型燃料電池の平面図である。

【図８】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池
の電池部材の一部を切欠した斜視図である。

【図９】本発明の他の実施例におけるセパレータ板の斜
視図である。

【図１０】固体高分子型燃料電池の電池部材の構成例を
示す要部の断面図である。

【図１１】固体高分子型燃料電池の電池部材の他の構成
例を示す要部の断面図である。

【図１２】固体高分子型燃料電池の電池部材のさらに他
の構成例を示す要部の断面図である。

【符号の説明】

１電極２触媒層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３０、５０積層体３１、３２、５１、５２エンドプレート３３、３４、５３、５４補助プレート３５、５５ボルト３６、５６凹部３７、５７凸部３８、５８ばね３９、５９バンド４０、４１、６２、６３出力端子

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者小原英夫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、前記電解質膜を挟
んだ一対の電極、および前記電極の一方に燃料ガスを供
給し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する手段を具
備した単位電池を複数個積層した高分子電解質型燃料電
池であって、前記積層電池の両端面を押さえるエンドプ
レートと、前記両エンドプレートを締結する締結部材
と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力を与え
るばねを有した補助プレートと、ボルトを有した補助プ
レートとを具備し、前記ばねが皿状の形態を有するばね
であることを特徴と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、前記電解質膜を挟
んだ一対の電極、および前記電極の一方に燃料ガスを供
給し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する手段を具
備した単位電池を複数個積層した高分子電解質型燃料電
池であって、前記積層電池の両端面を押さえるエンドプ
レートと、前記両エンドプレートを締結する締結部材
と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力を与え
るばねを有した補助プレートと、ボルトを有した補助プ
レートとを具備し、前記締結部材を複数の部分に分割し
たことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】固体高分子電解質膜を挟んだ一対の触媒
反応層を有する電極と、前記電極の一方に水素を含有す
る燃料を供給分配し、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、前記積層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締
結部材と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力
を与えるばねを有した補助プレートと、ボルトを有した
補助プレートとを具備し、前記ばねを有した補助プレー
トを複数の部分に分割したことを特徴とする固体高分子
型燃料電池。
【請求項４】固体高分子電解質膜を挟んだ一対の触媒
反応層を有する電極と、前記電極の一方に水素を含有す
る燃料を供給分配し、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、前記積層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締
結部材と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力
を与えるばねを有した補助プレートと、ボルトを有した
補助プレートとを具備し、前記ボルトを有した補助プレ
ートを複数の部分に分割したことを特徴とする固体高分
子型燃料電池。