JP2000268843A - 燃料電池 - Google Patents
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池のセパレータ板を積層し、ボルトで
締結するに際し、セパレータ板面上の面圧分布を出来る
だけ均一にすることが電池の特性向上に効果がある。そ
のため、従来、ボルトの本数を増やす構造が採用されて
いるが、ボルト本数を増やすと、その分、電極の有効面
積が減少して逆効果となるので、適切なボルト本数を選
択する方法を求めることが望まれていた。 【解決手段】 第１のセパレータ板１の方形の長辺を、
寸法が短辺の長さの２1/ 2 倍以下で１／２1/2 以上とな
るようにｎ等分し、このｎ等分によって生じた複数の第
２の矩形（ａｉｊｄ，ｉｂｃｊ）のほぼ中央に、積層体
を貫通する貫通穴３５ａ，３５ｂを設け、片端に環状弾
性体３７を有するボルト３６を貫通して締結した。
締結するに際し、セパレータ板面上の面圧分布を出来る
だけ均一にすることが電池の特性向上に効果がある。そ
のため、従来、ボルトの本数を増やす構造が採用されて
いるが、ボルト本数を増やすと、その分、電極の有効面
積が減少して逆効果となるので、適切なボルト本数を選
択する方法を求めることが望まれていた。 【解決手段】 第１のセパレータ板１の方形の長辺を、
寸法が短辺の長さの２1/ 2 倍以下で１／２1/2 以上とな
るようにｎ等分し、このｎ等分によって生じた複数の第
２の矩形（ａｉｊｄ，ｉｂｃｊ）のほぼ中央に、積層体
を貫通する貫通穴３５ａ，３５ｂを設け、片端に環状弾
性体３７を有するボルト３６を貫通して締結した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば電気自動
車等で使用される燃料電池の改良に関するものである。
車等で使用される燃料電池の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、電解質を介して一対の電極
を接触させ、一方の電極に燃料を、他方に酸化剤を供給
し、燃料電池内で燃料の酸化を電気化学的に行なわせる
ことにより、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変
換する装置である。燃料電池には電解質の差により、電
解質に固体高分子電解質膜を用いたいわゆる固体高分子
型燃料電池、リン酸を用いたリン酸型燃料電池など、い
くつかの型があるが、近年、高出力の得られる燃料電池
として、固体高分子型燃料電池が注目されているので、
以下、固体高分子型燃料電池を例として説明を行なう。
を接触させ、一方の電極に燃料を、他方に酸化剤を供給
し、燃料電池内で燃料の酸化を電気化学的に行なわせる
ことにより、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変
換する装置である。燃料電池には電解質の差により、電
解質に固体高分子電解質膜を用いたいわゆる固体高分子
型燃料電池、リン酸を用いたリン酸型燃料電池など、い
くつかの型があるが、近年、高出力の得られる燃料電池
として、固体高分子型燃料電池が注目されているので、
以下、固体高分子型燃料電池を例として説明を行なう。
【０００３】固体高分子型燃料電池では、燃料電極に水
素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回路に
電流を取り出すとき、下記の反応が生じる。 陰極反応：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１） 陽極反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（２） この時、燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴っ
て電解質中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で
酸素と反応して水を生じる。従って、上記のような燃料
電池の運転には、反応ガスの充分な供給と生成した水の
排出、電流の取り出しが可能な構造の工夫が必要であ
り、従来から種々提案されている。
素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回路に
電流を取り出すとき、下記の反応が生じる。 陰極反応：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１） 陽極反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（２） この時、燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴っ
て電解質中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で
酸素と反応して水を生じる。従って、上記のような燃料
電池の運転には、反応ガスの充分な供給と生成した水の
排出、電流の取り出しが可能な構造の工夫が必要であ
り、従来から種々提案されている。
【０００４】燃料電池を構成する単位電池の基本的な構
成断面図を図１５に示す。図において、１は導電性で溝
状の酸化剤流路１０が彫り込まれた第１のセパレータ
板、２は導電性で溝状の燃料流路１１が彫り込まれた第
２のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、５
は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質体
である。このような構成断面を有する燃料電池のセパレ
ータ板の構造は前述したように種々提案されており、例
えば特開平３−２０５７６３号公報に開示されているも
のと類似のセパレータ板の上面図を図１６に示す。
成断面図を図１５に示す。図において、１は導電性で溝
状の酸化剤流路１０が彫り込まれた第１のセパレータ
板、２は導電性で溝状の燃料流路１１が彫り込まれた第
２のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、５
は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質体
である。このような構成断面を有する燃料電池のセパレ
ータ板の構造は前述したように種々提案されており、例
えば特開平３−２０５７６３号公報に開示されているも
のと類似のセパレータ板の上面図を図１６に示す。
【０００５】図において、１０は第１のセパレータ板１
の片面に蛇腹溝状に形成され、酸化剤電極３に酸化剤ガ
スを供給するため酸化剤電極３に接する面側に並行して
形成された複数の酸化剤流路である。酸化剤ガスとして
は例えば酸素ガス又は空気を用いる。図１６では酸化剤
流路１０を蛇腹状にして長く取ることにより、ガス流速
を増加させ、かつ、薄くすることにより、反応に必要な
ガスの拡散を促進して、酸化剤電極３で発生した水を効
率よく排出させている。
の片面に蛇腹溝状に形成され、酸化剤電極３に酸化剤ガ
スを供給するため酸化剤電極３に接する面側に並行して
形成された複数の酸化剤流路である。酸化剤ガスとして
は例えば酸素ガス又は空気を用いる。図１６では酸化剤
流路１０を蛇腹状にして長く取ることにより、ガス流速
を増加させ、かつ、薄くすることにより、反応に必要な
ガスの拡散を促進して、酸化剤電極３で発生した水を効
率よく排出させている。
【０００６】３１は第１のセパレータ板１の主表面、３
２は酸化剤電極３を支持する電極支持部分、２４は第１
のセパレータ板１に形成され空気を供給する空気供給
口、２５は空気を排出するための空気排出口である。な
お、図には示さないが第２のセパレータ板２も類似の構
造を持ち、酸化剤流路１０に代えて蛇腹状の燃料ガス流
路１１を有している。酸化剤流路１０は第１のセパレー
タ板１の溝と酸化剤電極３によって囲まれた空間によっ
て構成され、燃料ガス流路１１（燃料流路とも言う）
は、第２のセパレータ板２の溝と燃料電極４によって囲
まれた空間によって構成されている。燃料流路１１に流
す燃料ガスとしては例えば水素ガスを用いる。
２は酸化剤電極３を支持する電極支持部分、２４は第１
のセパレータ板１に形成され空気を供給する空気供給
口、２５は空気を排出するための空気排出口である。な
お、図には示さないが第２のセパレータ板２も類似の構
造を持ち、酸化剤流路１０に代えて蛇腹状の燃料ガス流
路１１を有している。酸化剤流路１０は第１のセパレー
タ板１の溝と酸化剤電極３によって囲まれた空間によっ
て構成され、燃料ガス流路１１（燃料流路とも言う）
は、第２のセパレータ板２の溝と燃料電極４によって囲
まれた空間によって構成されている。燃料流路１１に流
す燃料ガスとしては例えば水素ガスを用いる。
【０００７】次に動作について説明する。第１のセパレ
ータ板１の空気供給口２４より供給された酸素ガスは、
並行して走る複数の酸化剤流路１０を通って酸化剤電極
３に供給される。一方、水素ガス（燃料ガス）は燃料ガ
ス流路１１より燃料電極４に供給される。このとき、酸
化剤電極３と燃料電極４は電気的に外部で負荷を介して
接続されているので、酸化剤電極３の側では（２）の反
応が生じ、酸化剤流路１０を通って未反応ガスと水が空
気排出口２５に排出される。また、燃料電極４の側では
（１）の反応が生じ、未反応ガスは燃料ガス流路１１と
燃料排出口（図示しない）を通じて排出される。この反
応によって得られた電子は電極３、４から電極支持部分
２１と第１、第２のセパレータ板１、２を通って流れ
る。
ータ板１の空気供給口２４より供給された酸素ガスは、
並行して走る複数の酸化剤流路１０を通って酸化剤電極
３に供給される。一方、水素ガス（燃料ガス）は燃料ガ
ス流路１１より燃料電極４に供給される。このとき、酸
化剤電極３と燃料電極４は電気的に外部で負荷を介して
接続されているので、酸化剤電極３の側では（２）の反
応が生じ、酸化剤流路１０を通って未反応ガスと水が空
気排出口２５に排出される。また、燃料電極４の側では
（１）の反応が生じ、未反応ガスは燃料ガス流路１１と
燃料排出口（図示しない）を通じて排出される。この反
応によって得られた電子は電極３、４から電極支持部分
２１と第１、第２のセパレータ板１、２を通って流れ
る。
【０００８】各セパレータ板や電極は積層して、荷重を
掛けて圧接されているが、燃料電池を効率よく作動させ
るためには、１つのセパレータの面内で、反応分布をで
きるだけ均一とすることが必要である。そのためには、
セル面にかかる荷重を均一化する必要がある。そこで、
米国特許ＵＳＰ５４８４６６６号に開示された技術を図
１７に示す。図において１００は図１５に示したような
単電池を積層したものであり、３５は単電池１００に設
けられた貫通穴、３６は貫通穴３５を貫通するボルト、
３７はボルト３６の端に装着された皿ばね、３９は単電
池１００を積層した端に装着された端板、５０は皿ばね
３７を配置するため端板３９に設けた空洞である。
掛けて圧接されているが、燃料電池を効率よく作動させ
るためには、１つのセパレータの面内で、反応分布をで
きるだけ均一とすることが必要である。そのためには、
セル面にかかる荷重を均一化する必要がある。そこで、
米国特許ＵＳＰ５４８４６６６号に開示された技術を図
１７に示す。図において１００は図１５に示したような
単電池を積層したものであり、３５は単電池１００に設
けられた貫通穴、３６は貫通穴３５を貫通するボルト、
３７はボルト３６の端に装着された皿ばね、３９は単電
池１００を積層した端に装着された端板、５０は皿ばね
３７を配置するため端板３９に設けた空洞である。
【０００９】図１７では多数（図では４本）のボルト３
６を単電池１００の面内に配置することで荷重の均一化
を図っているが、電極面に多数の穴を開けるためガス流
路が複雑になったり、ガスシール部分が増えて面積ロス
が増える。
６を単電池１００の面内に配置することで荷重の均一化
を図っているが、電極面に多数の穴を開けるためガス流
路が複雑になったり、ガスシール部分が増えて面積ロス
が増える。
【００１０】また、複数設けられた酸化剤流路１０、燃
料ガス流路１１は、いずれも入口から出口までが１本の
流路で構成され、分岐、流入などの枝分かれがないの
で、そのいずれかが、流路の途中、たとえ１か所でも閉
塞してしまった場合、その流路の入口から出口まで、新
規のガスが供給されず、その流路全体の機能がゼロにな
り、当然発電能力が低下する。
料ガス流路１１は、いずれも入口から出口までが１本の
流路で構成され、分岐、流入などの枝分かれがないの
で、そのいずれかが、流路の途中、たとえ１か所でも閉
塞してしまった場合、その流路の入口から出口まで、新
規のガスが供給されず、その流路全体の機能がゼロにな
り、当然発電能力が低下する。
【００１１】また、各セルは独立して燃料ガスと酸化剤
ガスの供給を受ける構造なので、上記のようにして、流
路の一部の機能が低下したセルが１枚でも生じて、積層
セルの内の１つでも燃料欠乏が生じた場合には、式
（３）に記載の反応が電極に発生する。 Ｃ＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− …（３） これによって電極やセパレータ等、燃料電池の構成部材
中のカーボンに腐食が生じ、電極などが致命的なダメー
ジを受けて燃料電池全体としての発電能力が極端に低下
してしまう。
ガスの供給を受ける構造なので、上記のようにして、流
路の一部の機能が低下したセルが１枚でも生じて、積層
セルの内の１つでも燃料欠乏が生じた場合には、式
（３）に記載の反応が電極に発生する。 Ｃ＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− …（３） これによって電極やセパレータ等、燃料電池の構成部材
中のカーボンに腐食が生じ、電極などが致命的なダメー
ジを受けて燃料電池全体としての発電能力が極端に低下
してしまう。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池は以上
のように、面圧を均一にするため多数のボルトが使用さ
れていたので、セパレータの有効面積が小さくなって、
発電効率が低くなるという問題があった。
のように、面圧を均一にするため多数のボルトが使用さ
れていたので、セパレータの有効面積が小さくなって、
発電効率が低くなるという問題があった。
【００１３】また、各セルは独立して燃料ガスと酸化剤
ガスの供給を受ける構造なので、１枚でも燃料ガスが欠
乏するセルが生じた場合には、カーボンが腐食して致命
的なダメージを受ける恐れがあった。
ガスの供給を受ける構造なので、１枚でも燃料ガスが欠
乏するセルが生じた場合には、カーボンが腐食して致命
的なダメージを受ける恐れがあった。
【００１４】また、燃料ガス流路と酸化剤流路は、いず
れも、入口から出口までが１本の流路で構成され、分
岐、流入などの枝分かれがないので、流路の途中、たと
え１か所でも閉塞してしまった場合、その流路の入口か
ら出口まで、新規のガスが供給されず、その流路全体の
機能がゼロになるという問題点があった。
れも、入口から出口までが１本の流路で構成され、分
岐、流入などの枝分かれがないので、流路の途中、たと
え１か所でも閉塞してしまった場合、その流路の入口か
ら出口まで、新規のガスが供給されず、その流路全体の
機能がゼロになるという問題点があった。
【００１５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、面積当たりのボルトの本数を少
なくして、しかも、面圧が均一に保たれる燃料電池を得
ようとするものである。また、流路の途中で閉塞して
も、流路全体の機能が失われることがない燃料電池を得
ようとするものである。また、セルに燃料欠乏が生じに
くく、仮に生じた場合も、カーボンの腐食が従来より軽
減される燃料電池を得ようとするものである。
ためになされたもので、面積当たりのボルトの本数を少
なくして、しかも、面圧が均一に保たれる燃料電池を得
ようとするものである。また、流路の途中で閉塞して
も、流路全体の機能が失われることがない燃料電池を得
ようとするものである。また、セルに燃料欠乏が生じに
くく、仮に生じた場合も、カーボンの腐食が従来より軽
減される燃料電池を得ようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この発明による燃料電池
は、長辺と短辺の長さの比が２1/2 以上である矩形の電
解質膜を、これとほぼ同形の酸化剤電極と燃料電極とで
挟持してなる矩形の単セル、前記酸化剤電極に接して設
けられ酸化剤流体を供給する酸化剤流路を有する第１の
セパレータ板、前記燃料電極に接して設けられ燃料流体
を供給する燃料流路を有する第２のセパレータ板からな
る積層体、前記積層体の前記矩形の単セルの長辺をｎ等
分した寸法が前記短辺の長さの２1/2 倍以下で１／２
1/2 以上となるように前記ｎを選定し、このｎ等分によ
って生じた複数の第２の矩形のほぼ中央に設けられ前記
積層体を貫通する貫通穴、前記貫通穴を貫通し少なくと
も片端に環状弾性体を有し、この環状弾性体を介して前
記積層体を締結するボルトとを備えたものである。
は、長辺と短辺の長さの比が２1/2 以上である矩形の電
解質膜を、これとほぼ同形の酸化剤電極と燃料電極とで
挟持してなる矩形の単セル、前記酸化剤電極に接して設
けられ酸化剤流体を供給する酸化剤流路を有する第１の
セパレータ板、前記燃料電極に接して設けられ燃料流体
を供給する燃料流路を有する第２のセパレータ板からな
る積層体、前記積層体の前記矩形の単セルの長辺をｎ等
分した寸法が前記短辺の長さの２1/2 倍以下で１／２
1/2 以上となるように前記ｎを選定し、このｎ等分によ
って生じた複数の第２の矩形のほぼ中央に設けられ前記
積層体を貫通する貫通穴、前記貫通穴を貫通し少なくと
も片端に環状弾性体を有し、この環状弾性体を介して前
記積層体を締結するボルトとを備えたものである。
【００１７】また、積層体の前記矩形の単セルの長辺を
ｎ等分した寸法が、短辺の長さの２ 1/2 倍以下で１／２
1/2 以上となるｎの内、最小の整数を選択するものであ
る。
ｎ等分した寸法が、短辺の長さの２ 1/2 倍以下で１／２
1/2 以上となるｎの内、最小の整数を選択するものであ
る。
【００１８】環状弾性体の外径は分割した第２の矩形の
短辺の９０％以下で、長辺の５０％以上としたものであ
る。
短辺の９０％以下で、長辺の５０％以上としたものであ
る。
【００１９】また、環状弾性体は外径の異なる２種類以
上の皿ばねを同軸に装着したものである。
上の皿ばねを同軸に装着したものである。
【００２０】また、外径の異なる各皿ばねのバネ定数を
それぞれの外径で除した商の比は１対０．８ないし１対
１．２の範囲にあるものである。
それぞれの外径で除した商の比は１対０．８ないし１対
１．２の範囲にあるものである。
【００２１】また、貫通穴を貫通するボルトの径を、前
記貫通穴の内壁の径より小さくして、内壁とボルトとの
隙間に、異なるセパレータ板の燃料流路どうし又は酸化
剤流路どうしを接続する連通ガス流路を有するものであ
る。
記貫通穴の内壁の径より小さくして、内壁とボルトとの
隙間に、異なるセパレータ板の燃料流路どうし又は酸化
剤流路どうしを接続する連通ガス流路を有するものであ
る。
【００２２】また、連通ガス流路は、同じセパレータ板
の複数の酸化剤流路間、または燃料流路間を連通してい
るものである。
の複数の酸化剤流路間、または燃料流路間を連通してい
るものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】実施の形態１．この発明の実施の
形態１による燃料電池の第１のセパレータ板１の構成を
図１に示す。以下、各図において、従来例の図と同符号
のものは、同一又は相当部分を示すのでその詳細な説明
は省略する。図において、３１はセパレータ板の主表
面、３２（図中の記号ｅｆｇｈ部分）は電極支持部で、
ここには電池と積層したときに酸化剤としての空気を流
すガス流路（酸化剤流路とも言う）を形成するための複
数の溝（図示せず）を配している。２４は酸化剤として
の空気（酸化剤流体とも言う）を供給する空気供給口、
２５は空気排出口、２６は燃料ガス（燃料流体とも言
う）を供給する燃料供給口、２７は同排出口である。
形態１による燃料電池の第１のセパレータ板１の構成を
図１に示す。以下、各図において、従来例の図と同符号
のものは、同一又は相当部分を示すのでその詳細な説明
は省略する。図において、３１はセパレータ板の主表
面、３２（図中の記号ｅｆｇｈ部分）は電極支持部で、
ここには電池と積層したときに酸化剤としての空気を流
すガス流路（酸化剤流路とも言う）を形成するための複
数の溝（図示せず）を配している。２４は酸化剤として
の空気（酸化剤流体とも言う）を供給する空気供給口、
２５は空気排出口、２６は燃料ガス（燃料流体とも言
う）を供給する燃料供給口、２７は同排出口である。
【００２４】第１のセパレータ板１の平面は、図１記載
の方形ａｂｃｄ（例えば２４０×１２０（単位はｍｍ以
下同様））に内包され、第１のセパレータ板１の有効電
極部（電極支持部３２と同じ）は、方形ｅｆｇｈ（例え
ば２２０×１１０）に内包されている。この実施形態で
は長辺と短辺との長さの比が２対１の場合について説明
する。ｋは方形ａｂｃｄの長辺ａｂ，ｄｃを二等分した
線で、これによって生じる矩形ａｉｊｄ，ｉｂｃｊ（そ
れぞれを第２の矩形という）のそれぞれの中心に貫通穴
３５ａ，３５ｂを設けている。
の方形ａｂｃｄ（例えば２４０×１２０（単位はｍｍ以
下同様））に内包され、第１のセパレータ板１の有効電
極部（電極支持部３２と同じ）は、方形ｅｆｇｈ（例え
ば２２０×１１０）に内包されている。この実施形態で
は長辺と短辺との長さの比が２対１の場合について説明
する。ｋは方形ａｂｃｄの長辺ａｂ，ｄｃを二等分した
線で、これによって生じる矩形ａｉｊｄ，ｉｂｃｊ（そ
れぞれを第２の矩形という）のそれぞれの中心に貫通穴
３５ａ，３５ｂを設けている。
【００２５】第２のセパレータ板２の構造も、図１とほ
ぼ同様なので図示は省略するが、長辺を２等分した第２
の矩形の中心に、貫通穴３５ａ，３５ｂが設けられてい
る。
ぼ同様なので図示は省略するが、長辺を２等分した第２
の矩形の中心に、貫通穴３５ａ，３５ｂが設けられてい
る。
【００２６】図２は第１、第２のセパレータ板１、２を
用い、単電池などを積層して構成した燃料電池積層体４
０の外観斜視図である。図において、３６は貫通穴３５
ａ，３５ｂに通したボルトで例えばＳＵＳボルトに絶縁
被膜を施したものを用いているので、運転中に何らかの
力が加わりボルトがセパレータと接触しても電気的に短
絡が生じることはない。また、各流体の流路は貫通穴３
５ａ，３５ｂとの間にシールを施しており、貫通穴に流
体が漏れることはない。３９は積層したセパレータ板な
どの積層の両端に設置した端板で、図示は省略するが空
気を通すための空気供給口２４、空気排出口２５、燃料
を通すための燃料供給口２６、燃料排出口２７に直結し
たポートを備えている。
用い、単電池などを積層して構成した燃料電池積層体４
０の外観斜視図である。図において、３６は貫通穴３５
ａ，３５ｂに通したボルトで例えばＳＵＳボルトに絶縁
被膜を施したものを用いているので、運転中に何らかの
力が加わりボルトがセパレータと接触しても電気的に短
絡が生じることはない。また、各流体の流路は貫通穴３
５ａ，３５ｂとの間にシールを施しており、貫通穴に流
体が漏れることはない。３９は積層したセパレータ板な
どの積層の両端に設置した端板で、図示は省略するが空
気を通すための空気供給口２４、空気排出口２５、燃料
を通すための燃料供給口２６、燃料排出口２７に直結し
たポートを備えている。
【００２７】ボルト３６にはアダプター３８を介して外
径９０、内径４６、板厚３．５の皿ばねを図３のように
３枚重ねた環状弾性体３７を、外径の部分が電池積層体
４０の外周近くに当たるように電池の両端に配してお
り、ナット４１を用いて燃料電池積層体４０を端板３９
を介して締めつけている。以上の説明では、第１のセパ
レータ板１を２等分するものを示したが、長辺が長くな
ればｎ等分（ｎは整数）することになる。以下、実施例
により、ｎの選定方法について説明する。
径９０、内径４６、板厚３．５の皿ばねを図３のように
３枚重ねた環状弾性体３７を、外径の部分が電池積層体
４０の外周近くに当たるように電池の両端に配してお
り、ナット４１を用いて燃料電池積層体４０を端板３９
を介して締めつけている。以上の説明では、第１のセパ
レータ板１を２等分するものを示したが、長辺が長くな
ればｎ等分（ｎは整数）することになる。以下、実施例
により、ｎの選定方法について説明する。
【００２８】実施例１．前述の各部寸法を有する燃料電
池積層体４０において、環状弾性体３７の変形量が１．
８ｍｍになるように締めつけたところ、積層体にかかる
締めつけ荷重は１．１５ｔｏｎとなり、平均４ｋｇ／ｃ
ｍ2 の面圧が掛かった。この時、端板３９と第１のセパ
レータ板１の間に臨時に面圧センサーを挿入して荷重の
ばらつきを計測した、この結果を図４に示す。図中９９
は環状弾性体３７の外径部が接する位置を示す説明補助
線である。図４では面圧は第１のセパレータ板１の上の
測定したどの箇所においても、プラスマイナス０．２ｋ
ｇ／ｃｍ2 の範囲に入っており、センサーを外してから
組み直し、実際に運転したところ、平均的なセル抵抗も
電極面積換算で６５ｍΩと従来周辺部のみで同様の荷重
で締めつけを行なったときよりも１０％も低い値を維持
し、セル特性も水素・空気常圧条件で０．６８Ｖ／５０
０ｍＡ／ｃｍ2 と２０ｍＶ近くも向上させることができ
た。
池積層体４０において、環状弾性体３７の変形量が１．
８ｍｍになるように締めつけたところ、積層体にかかる
締めつけ荷重は１．１５ｔｏｎとなり、平均４ｋｇ／ｃ
ｍ2 の面圧が掛かった。この時、端板３９と第１のセパ
レータ板１の間に臨時に面圧センサーを挿入して荷重の
ばらつきを計測した、この結果を図４に示す。図中９９
は環状弾性体３７の外径部が接する位置を示す説明補助
線である。図４では面圧は第１のセパレータ板１の上の
測定したどの箇所においても、プラスマイナス０．２ｋ
ｇ／ｃｍ2 の範囲に入っており、センサーを外してから
組み直し、実際に運転したところ、平均的なセル抵抗も
電極面積換算で６５ｍΩと従来周辺部のみで同様の荷重
で締めつけを行なったときよりも１０％も低い値を維持
し、セル特性も水素・空気常圧条件で０．６８Ｖ／５０
０ｍＡ／ｃｍ2 と２０ｍＶ近くも向上させることができ
た。
【００２９】実施例２．次に、短辺の寸法が実施例１と
同様で、長辺のみ異なる５種類の形状のセパレータ板と
単電池とを積層して前述の燃料電池積層体４０（１０セ
ルスタック）と同様の平均面圧を掛けて、面圧分布とセ
ル抵抗及びセル特性を測定した結果を表１に示し、これ
を図５にグラフ化して示す。ケースＡの長辺／短辺比が
１である場合から、ケースＦの長辺／短辺比が２まで、
順次大きくしていく。長辺／短辺比が１．４まではそれ
ほど大きな変化はないが、１．４を越えると面圧分布、
セル抵抗、セル特性が顕著に悪化することがわかる。こ
れは基準となる短辺が異なる寸法である場合でも、ほぼ
同様の傾向（環状弾性体３７の外径と短辺比をほぼ同一
のもので構成）を示した。
同様で、長辺のみ異なる５種類の形状のセパレータ板と
単電池とを積層して前述の燃料電池積層体４０（１０セ
ルスタック）と同様の平均面圧を掛けて、面圧分布とセ
ル抵抗及びセル特性を測定した結果を表１に示し、これ
を図５にグラフ化して示す。ケースＡの長辺／短辺比が
１である場合から、ケースＦの長辺／短辺比が２まで、
順次大きくしていく。長辺／短辺比が１．４まではそれ
ほど大きな変化はないが、１．４を越えると面圧分布、
セル抵抗、セル特性が顕著に悪化することがわかる。こ
れは基準となる短辺が異なる寸法である場合でも、ほぼ
同様の傾向（環状弾性体３７の外径と短辺比をほぼ同一
のもので構成）を示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】分割する前の長辺／短辺比が２1/2 より小
さい場合は、長辺を等分すると、分割後の長辺／短辺比
は分割前より大きくなってしまう。また、分割後の第２
の矩形の長辺／短辺比が２1/2 である付近が、セル特性
を高く維持できる境界付近であるため、もとの長辺／短
辺比が２1/2 以下か否かを境に分割数を決定するとよ
い。
さい場合は、長辺を等分すると、分割後の長辺／短辺比
は分割前より大きくなってしまう。また、分割後の第２
の矩形の長辺／短辺比が２1/2 である付近が、セル特性
を高く維持できる境界付近であるため、もとの長辺／短
辺比が２1/2 以下か否かを境に分割数を決定するとよ
い。
【００３２】また、本実施例では、環状弾性体３７の外
径を、セパレータ板を分割した後の方形の短辺の７５％
にあたる９０ｍｍとした。一方、長辺／短辺比の異なる
セパレータ板に対して数種の径で試したところ、環状弾
性体３７の外径は分割した第２の矩形の長辺／短辺比が
大きい１．４の場合は、短辺の９０％以下で長辺の５０
％以上の範囲において高い特性を維持することができ
た。長辺／短辺比が１の場合は、方形（正方形）の辺の
４０〜９０％の範囲で高い特性を示した。どの長辺／短
辺比でも高い特性を示すのは短辺の９０％以下で、長辺
の５０％以上の範囲であった。
径を、セパレータ板を分割した後の方形の短辺の７５％
にあたる９０ｍｍとした。一方、長辺／短辺比の異なる
セパレータ板に対して数種の径で試したところ、環状弾
性体３７の外径は分割した第２の矩形の長辺／短辺比が
大きい１．４の場合は、短辺の９０％以下で長辺の５０
％以上の範囲において高い特性を維持することができ
た。長辺／短辺比が１の場合は、方形（正方形）の辺の
４０〜９０％の範囲で高い特性を示した。どの長辺／短
辺比でも高い特性を示すのは短辺の９０％以下で、長辺
の５０％以上の範囲であった。
【００３３】以上の説明において、長辺はセパレータ板
１の全長を等分割したものとして説明したが、空気供給
口２４などのスペースの寸法が電極部の長さ寸法に比べ
てそれほど大きくない場合は、電極部の長辺を等分して
もほぼ同様の結果が得られ、その場合、どちらか一方の
比が２1/2 を越えていても１．６以下程度であれば、他
方の比が２1/2 以下で高い特性を出すことが出来る。
１の全長を等分割したものとして説明したが、空気供給
口２４などのスペースの寸法が電極部の長さ寸法に比べ
てそれほど大きくない場合は、電極部の長辺を等分して
もほぼ同様の結果が得られ、その場合、どちらか一方の
比が２1/2 を越えていても１．６以下程度であれば、他
方の比が２1/2 以下で高い特性を出すことが出来る。
【００３４】実施の形態２．実施の形態２の燃料電池の
第１のセパレータ板１を図６に示す。ここでは、分割数
の選定の仕方について説明するため、特に縦横比の大き
い場合を示している。図において、短辺は実施の形態１
の図１と同じで、長辺は電極部（ｅｆ）が３８０ｍｍ、
セパレータ部（ａｂ）が４６０ｍｍとなっている。それ
ぞれ長辺と短辺の比が３．４５と３．８３となってお
り、図６では方形ａｂｃｄの長辺であるａｂ、ｃｄを直
線ｋ，ｌで３等分して、それぞれの中心に貫通穴３５
ａ，３５ｂ，３５ｃを設けた。各貫通穴３５にはアダプ
ター３８を介して外径９０、内径４６、板厚３．５の皿
ばねを図３と同様に３枚重ねた環状弾性体３７を電池の
両端に配した。
第１のセパレータ板１を図６に示す。ここでは、分割数
の選定の仕方について説明するため、特に縦横比の大き
い場合を示している。図において、短辺は実施の形態１
の図１と同じで、長辺は電極部（ｅｆ）が３８０ｍｍ、
セパレータ部（ａｂ）が４６０ｍｍとなっている。それ
ぞれ長辺と短辺の比が３．４５と３．８３となってお
り、図６では方形ａｂｃｄの長辺であるａｂ、ｃｄを直
線ｋ，ｌで３等分して、それぞれの中心に貫通穴３５
ａ，３５ｂ，３５ｃを設けた。各貫通穴３５にはアダプ
ター３８を介して外径９０、内径４６、板厚３．５の皿
ばねを図３と同様に３枚重ねた環状弾性体３７を電池の
両端に配した。
【００３５】ナット４１を用い、端板３９を介して燃料
電池積層体を、環状弾性体３７の変形量が２．６ｍｍに
なるように締めつけたところ、締めつけ荷重は２．２ｔ
ｏｎとなり、平均４ｋｇ／ｃｍ2 の面圧が掛かった。ま
た、荷重のばらつきはプラスマイナス０．２ｋｇ／ｃｍ
2 となった。実際の運転では平均のセル抵抗も電極面換
算で６７ｍΩｃｍ2 と実施の形態１の場合とほぼ同様の
低い値を維持し、セル特性も水素・空気常圧条件で０．
６８Ｖ／５００ｍＡ／ｃｍ2 と高い特性を出すことがで
きた。なお、図示しないが、第２のセパレータ板２も同
様の寸法／形状とする。
電池積層体を、環状弾性体３７の変形量が２．６ｍｍに
なるように締めつけたところ、締めつけ荷重は２．２ｔ
ｏｎとなり、平均４ｋｇ／ｃｍ2 の面圧が掛かった。ま
た、荷重のばらつきはプラスマイナス０．２ｋｇ／ｃｍ
2 となった。実際の運転では平均のセル抵抗も電極面換
算で６７ｍΩｃｍ2 と実施の形態１の場合とほぼ同様の
低い値を維持し、セル特性も水素・空気常圧条件で０．
６８Ｖ／５００ｍＡ／ｃｍ2 と高い特性を出すことがで
きた。なお、図示しないが、第２のセパレータ板２も同
様の寸法／形状とする。
【００３６】また、同じ大きさ／形のセパレータ板の方
形ａｂｃｄを、長辺ａｂ，ｄｃを４等分して、それぞれ
の中心に貫通穴３５を設けた場合、分割された方形の長
辺／短辺比は１．０４（長辺と短辺が逆転することにな
る）と比率上は好ましい状態になる。従って面圧分布は
良くなるが、セル特性は殆ど向上しない。これは貫通穴
３５を設けることにより電極の有効面積が減少すること
が影響している。つまり、貫通穴３５は必要以上に増や
さない方が好ましい。即ち、長辺／短辺比が２ 1/2 以下
になる最小限の分割数で分割した方形の各中心に貫通穴
３５を設けて締めつけることが電池積層体の性能向上に
有効である。
形ａｂｃｄを、長辺ａｂ，ｄｃを４等分して、それぞれ
の中心に貫通穴３５を設けた場合、分割された方形の長
辺／短辺比は１．０４（長辺と短辺が逆転することにな
る）と比率上は好ましい状態になる。従って面圧分布は
良くなるが、セル特性は殆ど向上しない。これは貫通穴
３５を設けることにより電極の有効面積が減少すること
が影響している。つまり、貫通穴３５は必要以上に増や
さない方が好ましい。即ち、長辺／短辺比が２ 1/2 以下
になる最小限の分割数で分割した方形の各中心に貫通穴
３５を設けて締めつけることが電池積層体の性能向上に
有効である。
【００３７】実施の形態３．実施の形態３による燃料電
池の構造について、図７により説明する。図７は燃料電
池積層体の締めつけ構造部分の断面図である。図はセパ
レータ板１を分割した１つの方形（１２０角）のみにつ
いて図示したもので、他の方形については図示を省略し
ている。環状弾性体３７ａは外径１１２、内径５７、板
厚４．０の皿ばねを３枚重ねたもの、環状弾性体３７ｂ
は外径５０、内径２５．４、板厚１．９の皿ばねを３枚
重ねたもので、環状弾性体３７ａは１ｍｍの変形で３５
０ｋｇ荷重がかかり、３７ｂは同じく１５０ｋｇかか
る。そして、アダプター３８とナット４１を用いて燃料
電池積層体を端板３９を介して締めつけている。
池の構造について、図７により説明する。図７は燃料電
池積層体の締めつけ構造部分の断面図である。図はセパ
レータ板１を分割した１つの方形（１２０角）のみにつ
いて図示したもので、他の方形については図示を省略し
ている。環状弾性体３７ａは外径１１２、内径５７、板
厚４．０の皿ばねを３枚重ねたもの、環状弾性体３７ｂ
は外径５０、内径２５．４、板厚１．９の皿ばねを３枚
重ねたもので、環状弾性体３７ａは１ｍｍの変形で３５
０ｋｇ荷重がかかり、３７ｂは同じく１５０ｋｇかか
る。そして、アダプター３８とナット４１を用いて燃料
電池積層体を端板３９を介して締めつけている。
【００３８】環状弾性体３７の変形量が１．１５ｍｍに
なるよう締めつけたところ、積層体にかかる締めつけ荷
重は５８０ｋｇｆとなり、平均４ｋｇ／ｃｍ2 の面圧が
掛かった。この時、端板３９とセパレータ板１間には図
８に示すようにプラスマイナス０．１ｋｇ／ｃｍ2 の範
囲で面圧が分布しており、図９に示す一種類の環状弾性
体３５で締めつけたときよりも良好となる。また、実際
に運転したところ平均的なセル抵抗電極面積換算で６０
ｍΩｃｍと、５％も低い値を維持し、セル特性も水素・
空気常圧条件で（０．６８Ｖ後半）／５００ｍＡ／ｃｍ
2 と数ｍＶ以上向上させることが出来た。
なるよう締めつけたところ、積層体にかかる締めつけ荷
重は５８０ｋｇｆとなり、平均４ｋｇ／ｃｍ2 の面圧が
掛かった。この時、端板３９とセパレータ板１間には図
８に示すようにプラスマイナス０．１ｋｇ／ｃｍ2 の範
囲で面圧が分布しており、図９に示す一種類の環状弾性
体３５で締めつけたときよりも良好となる。また、実際
に運転したところ平均的なセル抵抗電極面積換算で６０
ｍΩｃｍと、５％も低い値を維持し、セル特性も水素・
空気常圧条件で（０．６８Ｖ後半）／５００ｍＡ／ｃｍ
2 と数ｍＶ以上向上させることが出来た。
【００３９】環状弾性体３７の外径寸法の組み合わせと
しては、外側の環状弾性体３７ａの径は第１のセパレー
タ板１の短辺の９５％付近、内側のもの（３７ｂ）の径
は３０〜５０％付近のとき最も良い圧力分布を示した。
尚、図７では、２種類の径の環状弾性体３７ａ，３７ｂ
を用いたが、より大きい面積の積層体の場合にはもっと
種類を増加させても良いことは当然である。図７のもの
では選択した各環状弾性体３７のバネ定数をそれぞれの
外径で除するとそれぞれ３．１となり、同じ変形量に対
して、単位周長にかかる荷重は同じとなる。異なるバネ
定数の環状弾性体３７をいろいろ組み合わせて面圧分布
と電池性能を比較した結果、詳細な説明は省略するが各
弾性体のバネ定数を外径で除した商の比は、１対０．８
〜１対１．２の範囲であれば、良い性能を得られること
が判明した。
しては、外側の環状弾性体３７ａの径は第１のセパレー
タ板１の短辺の９５％付近、内側のもの（３７ｂ）の径
は３０〜５０％付近のとき最も良い圧力分布を示した。
尚、図７では、２種類の径の環状弾性体３７ａ，３７ｂ
を用いたが、より大きい面積の積層体の場合にはもっと
種類を増加させても良いことは当然である。図７のもの
では選択した各環状弾性体３７のバネ定数をそれぞれの
外径で除するとそれぞれ３．１となり、同じ変形量に対
して、単位周長にかかる荷重は同じとなる。異なるバネ
定数の環状弾性体３７をいろいろ組み合わせて面圧分布
と電池性能を比較した結果、詳細な説明は省略するが各
弾性体のバネ定数を外径で除した商の比は、１対０．８
〜１対１．２の範囲であれば、良い性能を得られること
が判明した。
【００４０】実施の形態４．図１０はこの発明の実施の
形態４による燃料電池のセパレータ板の平面図である。
図において４２は中間マニホールド（連通ガス流路とい
う）であり、貫通穴３５の一つに、この貫通穴の内径よ
り細いボルト３６を通すことにより、ボルト３６と貫通
穴３５との隙間を中間マニホールド４２としている。１
１ａは燃料流路である。燃料流路１１ａの流れるルート
の理解を助けるため、図１１にルート説明図を示す。図
１１のように中間マニホールド４２には燃料流路１１ａ
が接続され、同じセパレータ板内の異なる流路が１つに
まとめられている。
形態４による燃料電池のセパレータ板の平面図である。
図において４２は中間マニホールド（連通ガス流路とい
う）であり、貫通穴３５の一つに、この貫通穴の内径よ
り細いボルト３６を通すことにより、ボルト３６と貫通
穴３５との隙間を中間マニホールド４２としている。１
１ａは燃料流路である。燃料流路１１ａの流れるルート
の理解を助けるため、図１１にルート説明図を示す。図
１１のように中間マニホールド４２には燃料流路１１ａ
が接続され、同じセパレータ板内の異なる流路が１つに
まとめられている。
【００４１】中間マニホールド４２の構造を詳しく説明
するため、図１２に中間マニホールド４２の断面図を示
す。図において、１１ａは燃料流路、１１ｂは空気流路
である。３６Ｘはボルト３６に被せられた絶縁材でその
外径は貫通穴３５の内径より小さいので、絶縁材３６Ｘ
と貫通穴３５の内壁との間に中間マニホールド４２が構
成されている。４３は空気流路１１ｂの貫通穴３５への
開口部に挿入されたガスシールであり、空気流路１１ｂ
の空気が中間マニホールド４２の中に流入するのを防止
している。また、ボルト３６が端板３９と接する部分に
Ｏリング４４を挿入し、マニホールド４２内の燃料ガス
が外部へ流出するのを防止している。
するため、図１２に中間マニホールド４２の断面図を示
す。図において、１１ａは燃料流路、１１ｂは空気流路
である。３６Ｘはボルト３６に被せられた絶縁材でその
外径は貫通穴３５の内径より小さいので、絶縁材３６Ｘ
と貫通穴３５の内壁との間に中間マニホールド４２が構
成されている。４３は空気流路１１ｂの貫通穴３５への
開口部に挿入されたガスシールであり、空気流路１１ｂ
の空気が中間マニホールド４２の中に流入するのを防止
している。また、ボルト３６が端板３９と接する部分に
Ｏリング４４を挿入し、マニホールド４２内の燃料ガス
が外部へ流出するのを防止している。
【００４２】次に、動作について説明する。燃料供給口
２６から入った燃料ガスは燃料流路１１ａに沿ってセパ
レータ板１内を流れ、排出口２７から出ていく。ここ
で、燃料は反応に伴って下流へ行くほど消費され、従来
のものでは、例えば、入口で濃度７５％のものが出口で
は４７％程度に低下する（燃料利用率が７０％の場
合）、しかも、燃料利用率は各セパレータ板毎に、ある
いは各流路毎に、若干異なるので、流路の距離に対する
濃度をグラフ化すると、図１３（ａ）に示すように下流
に行くほど濃度にばらつきが生じる。図１３（ａ）、
（ｂ）ともに、３枚のセパレータ板１の濃度（あるいは
３つの流路の濃度）を示している。図１０のものでは中
間マニホールド４２は流路の全長の入口から２／３程度
の位置にあり、ここでの濃度は図１３（ａ）中に記載し
ているように、３０〜５０％程度の範囲にばらつく。
２６から入った燃料ガスは燃料流路１１ａに沿ってセパ
レータ板１内を流れ、排出口２７から出ていく。ここ
で、燃料は反応に伴って下流へ行くほど消費され、従来
のものでは、例えば、入口で濃度７５％のものが出口で
は４７％程度に低下する（燃料利用率が７０％の場
合）、しかも、燃料利用率は各セパレータ板毎に、ある
いは各流路毎に、若干異なるので、流路の距離に対する
濃度をグラフ化すると、図１３（ａ）に示すように下流
に行くほど濃度にばらつきが生じる。図１３（ａ）、
（ｂ）ともに、３枚のセパレータ板１の濃度（あるいは
３つの流路の濃度）を示している。図１０のものでは中
間マニホールド４２は流路の全長の入口から２／３程度
の位置にあり、ここでの濃度は図１３（ａ）中に記載し
ているように、３０〜５０％程度の範囲にばらつく。
【００４３】従来例で説明したとおり、各積層体のガス
流量にばらつきがあった場合（当然濃度にもばらつきが
発生する）、流量の少ない単セルの性能に引きずられて
電池全体の性能が低下する。また、場合によっては水素
欠乏により致命的な（回復不可能な）ダメージを受ける
場合がある。しかし、中間マニホールド４２では、各セ
パレータ板の流路が、一旦、共通化されるので、燃料ガ
スは混合され濃度は均一化される。したがってガス流路
１１ａの濃度は図１３ｂに示すように、平均値に均一化
される。それより下流では、セパレータ毎の特性差によ
り再び差が開きはじめるが距離が短いので、差が大きく
なる前に出口に達する。
流量にばらつきがあった場合（当然濃度にもばらつきが
発生する）、流量の少ない単セルの性能に引きずられて
電池全体の性能が低下する。また、場合によっては水素
欠乏により致命的な（回復不可能な）ダメージを受ける
場合がある。しかし、中間マニホールド４２では、各セ
パレータ板の流路が、一旦、共通化されるので、燃料ガ
スは混合され濃度は均一化される。したがってガス流路
１１ａの濃度は図１３ｂに示すように、平均値に均一化
される。それより下流では、セパレータ毎の特性差によ
り再び差が開きはじめるが距離が短いので、差が大きく
なる前に出口に達する。
【００４４】電池を流れる電流（負荷）を一定にして、
供給する燃料濃度を変えて、電池中での燃料利用率を変
化させ、セル特性（平均セル電圧）の燃料利用率依存性
を調べた結果を図１４に示す。図中ａは本実施の形態に
よる中間マニホールド４２がある場合で、ｂは中間マニ
ホールド４２がない場合である。ｂでは燃料利用率が７
０％を越えた付近から、積層された電池の一部のものの
特性が急落したため、平均的な電池特性も大きく低下
し、８０％以上の燃料利用率では実質的に運転が不能と
なる。特性の低下した単電池は後に充分な燃料を供給し
ても回復しない重大な故障を生じてしまう。
供給する燃料濃度を変えて、電池中での燃料利用率を変
化させ、セル特性（平均セル電圧）の燃料利用率依存性
を調べた結果を図１４に示す。図中ａは本実施の形態に
よる中間マニホールド４２がある場合で、ｂは中間マニ
ホールド４２がない場合である。ｂでは燃料利用率が７
０％を越えた付近から、積層された電池の一部のものの
特性が急落したため、平均的な電池特性も大きく低下
し、８０％以上の燃料利用率では実質的に運転が不能と
なる。特性の低下した単電池は後に充分な燃料を供給し
ても回復しない重大な故障を生じてしまう。
【００４５】一方、ａの中間マニホールド４２を設けて
ある場合は、燃料利用率が６０％以下の場合には、中間
マニホールド４２により電極面積がロスした分、若干特
性が低下するものの燃料利用率が８０％を越えても安定
した高いセル電圧を示している。
ある場合は、燃料利用率が６０％以下の場合には、中間
マニホールド４２により電極面積がロスした分、若干特
性が低下するものの燃料利用率が８０％を越えても安定
した高いセル電圧を示している。
【００４６】以上の説明では、中間マニホールド４２は
各セパレータ板の燃料流路を互いに連通するものとして
説明したが、各セパレータ板の空気流路を互いに連通す
るもう一つの中間マニホールドを設けることによって、
空気流路のつまり等による酸化剤不足に対処することも
できる。
各セパレータ板の燃料流路を互いに連通するものとして
説明したが、各セパレータ板の空気流路を互いに連通す
るもう一つの中間マニホールドを設けることによって、
空気流路のつまり等による酸化剤不足に対処することも
できる。
【００４７】
【発明の効果】以上のように、この発明による燃料電池
はセパレータ板の長辺をｎ等分した寸法が、短辺の長さ
の２1/2 倍以下で１／２1/2 以上となるようにｎを選定
し、このｎ等分によって生じた第２の矩形のほぼ中央に
ボルトを貫通させ、環状弾性体を介してセパレータ板と
単電池とを締結するようにしたので、最小の面積ロスで
面圧を一定範囲内に収めることが出来、特性のよい燃料
電池を得ることが出来る。
はセパレータ板の長辺をｎ等分した寸法が、短辺の長さ
の２1/2 倍以下で１／２1/2 以上となるようにｎを選定
し、このｎ等分によって生じた第２の矩形のほぼ中央に
ボルトを貫通させ、環状弾性体を介してセパレータ板と
単電池とを締結するようにしたので、最小の面積ロスで
面圧を一定範囲内に収めることが出来、特性のよい燃料
電池を得ることが出来る。
【００４８】また、上記ｎの内、最小の整数を選ぶこと
により、ボルト本数を最小として、電極有効面積を確保
することにより、特性のよい燃料電池を得ることが出来
る。
により、ボルト本数を最小として、電極有効面積を確保
することにより、特性のよい燃料電池を得ることが出来
る。
【００４９】また、環状弾性体の外径を分割した第２の
矩形の短辺の９０％以下、長辺の５０％以上としたの
で、面圧を所定の範囲内に収め、特性のよい燃料電池を
得ることが出来る。
矩形の短辺の９０％以下、長辺の５０％以上としたの
で、面圧を所定の範囲内に収め、特性のよい燃料電池を
得ることが出来る。
【００５０】また、環状弾性体は外径の異なる２種類以
上の皿ばねを同軸に装着したので、面圧の変化を更に小
さくして、特性のよい燃料電池を得ることが出来る。
上の皿ばねを同軸に装着したので、面圧の変化を更に小
さくして、特性のよい燃料電池を得ることが出来る。
【００５１】また、同軸に装着した外径の異なる２種類
以上の皿ばねは、そのバネ定数をそれぞれの外径で除し
た商の比を１対０．８〜１対１．２の範囲内としたの
で、面圧のばらつきを押さえ、更に特性のよい燃料電池
を得ることが出来る。
以上の皿ばねは、そのバネ定数をそれぞれの外径で除し
た商の比を１対０．８〜１対１．２の範囲内としたの
で、面圧のばらつきを押さえ、更に特性のよい燃料電池
を得ることが出来る。
【００５２】また、セパレータ板に設けた貫通穴の内壁
とボルトとの間に、異なるセパレータ板間の燃料ガス流
路どうし又は空気流路どうしを連通する連通ガス流路を
設けたので、異なるセパレータ板内の流路を流れるガス
又は空気（酸化剤）の濃度差を低減し、燃料ガスの欠乏
を生じないようにする事が出来、燃料電池の特性を向上
することが出来る。
とボルトとの間に、異なるセパレータ板間の燃料ガス流
路どうし又は空気流路どうしを連通する連通ガス流路を
設けたので、異なるセパレータ板内の流路を流れるガス
又は空気（酸化剤）の濃度差を低減し、燃料ガスの欠乏
を生じないようにする事が出来、燃料電池の特性を向上
することが出来る。
【００５３】また、連通ガス流路は、同じセパレータ板
内の燃料ガス流路どうし又は空気流路どうしを連通する
ので、セパレータ板内の異なる流路を流れるガス又は空
気（酸化剤）の濃度差を低減し、流路が閉塞しても、連
通ガス流路以後の流路には再びガスを供給する事が出
来、燃料電池の特性を向上することが出来る。
内の燃料ガス流路どうし又は空気流路どうしを連通する
ので、セパレータ板内の異なる流路を流れるガス又は空
気（酸化剤）の濃度差を低減し、流路が閉塞しても、連
通ガス流路以後の流路には再びガスを供給する事が出
来、燃料電池の特性を向上することが出来る。
【図１】 この発明の実施の形態１による燃料電池のセ
パレータ板の構成図である。
パレータ板の構成図である。
【図２】 図１のセパレータ板を用いて組み立てた燃料
電池の外観図である。
電池の外観図である。
【図３】 図２の燃料電池の断面図である。
【図４】 図３の燃料電池の面圧分布図である。
【図５】 長辺／短辺比の変化と電池特性の関係の説明
グラフである。
グラフである。
【図６】 実施の形態２による燃料電池のセパレータ板
の構成図である。
の構成図である。
【図７】 実施の形態３による燃料電池の断面図であ
る。
る。
【図８】 図７の燃料電池の面圧分布説明図である。
【図９】 一種類の環状弾性体での面圧分布説明図であ
る。
る。
【図１０】 実施の形態４による燃料電池のセパレータ
板の平面図である。
板の平面図である。
【図１１】 図１０のセパレータ板の流路説明図であ
る。
る。
【図１２】 図１０の燃料電池の断面図である。
【図１３】 図１０の燃料電池の特製説明図である。
【図１４】 図１０の燃料電池の特製説明図である。
【図１５】 従来の燃料電池の断面図である。
【図１６】 従来の燃料電池のセパレータ板の平面図で
ある。
ある。
【図１７】 従来の燃料電池の構成図である。
１ 第１のセパレータ板、 ２ 第２のセパレータ
板、３ 酸化剤電極、 ４ 燃料電極、 ５
電解質体、１０ 酸化剤流路、 １１ 燃料ガス流路、
２１ 電極支持部分、２４ 空気供給口、 ２５
空気排出口、 ２６ 燃料供給口、２７ 燃料排出
口、 ３１ セパレータ主表面、 ３２ 電極支持部、
３５，３５ａ，３５ｂ 貫通穴、 ３６ ボルト、
３７ 皿ばね、３８ アダプター、 ３９ 端板、 ４
０ 燃料電池積層体
板、３ 酸化剤電極、 ４ 燃料電極、 ５
電解質体、１０ 酸化剤流路、 １１ 燃料ガス流路、
２１ 電極支持部分、２４ 空気供給口、 ２５
空気排出口、 ２６ 燃料供給口、２７ 燃料排出
口、 ３１ セパレータ主表面、 ３２ 電極支持部、
３５，３５ａ，３５ｂ 貫通穴、 ３６ ボルト、
３７ 皿ばね、３８ アダプター、 ３９ 端板、 ４
０ 燃料電池積層体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福本 久敏 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 金行 和敏 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 CX08 HH00 HH03 HH05
Claims (7)
- 【請求項１】 長辺と短辺の長さの比が２1/2 以上であ
る矩形の電解質膜を、これとほぼ同形の酸化剤電極と燃
料電極とで挟持してなる矩形の単セル、 前記酸化剤電極に接して設けられ酸化剤流体を供給する
酸化剤流路を有する第１のセパレータ板と、前記燃料電
極に接して設けられ燃料流体を供給する燃料流路を有す
る第２のセパレータ板とからなる積層体、 前記積層体の単セルの長辺をｎ等分した寸法が前記短辺
の長さの２1/2 倍以下で１／２1/2 以上となるように前
記ｎを選定し、このｎ等分によって生じた複数の第２の
矩形それぞれのほぼ中央に設けられ前記積層体を貫通す
る貫通穴、 前記貫通穴を貫通し少なくとも片端に環状弾性体を有
し、この環状弾性体を介して前記積層体を締結するボル
トとを備えたことを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 積層体の前記矩形の単セルの長辺をｎ等
分した寸法が、短辺の長さの２1/2 倍以下で１／２1/2
以上となるｎの内、最小の整数を選択することを特徴と
する請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項３】 環状弾性体の外径は分割した第２の矩形
の短辺の９０％以下で、長辺の５０％以上であることを
特徴とする請求項２に記載の燃料電池。 - 【請求項４】 環状弾性体は外径の異なる２種類以上の
皿ばねを同軸に装着したものであることを特徴とする請
求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項５】 外径の異なる各皿ばねのバネ定数をそれ
ぞれの外径で除した商の比は１対０．８ないし１対１．
２の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の燃料
電池。 - 【請求項６】 貫通穴を貫通するボルトの径を、前記貫
通穴の内壁の径より小さくして、前記内壁と前記ボルト
との隙間に、異なるセパレータ板の燃料流路どうし又は
酸化剤流路どうしを接続する連通ガス流路を構成したこ
とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項７】 連通ガス流路は、同じセパレータ板の複
数の酸化剤流路間、又は、燃料流路間を連通しているこ
とを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
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|---|---|---|---|
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| DE19948086A DE19948086B4 (de) | 1999-03-16 | 1999-10-06 | Brennstoffzelle |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06959099A JP3388710B2 (ja) | 1999-03-16 | 1999-03-16 | 燃料電池 |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2007042442A (ja) * | 2005-08-03 | 2007-02-15 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池スタック |
| JP2008535189A (ja) * | 2005-04-05 | 2008-08-28 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | 流れ場プレイト及びこの流れ場プレイトを含んだ燃料電池スタック |
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| JP2019197675A (ja) * | 2018-05-10 | 2019-11-14 | 日本特殊陶業株式会社 | 電気化学反応セルスタック |
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| DE10151452A1 (de) * | 2001-10-18 | 2003-04-30 | Behr Gmbh & Co | Brennstoffzellenstapel |
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1999
- 1999-03-16 JP JP06959099A patent/JP3388710B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1999-08-17 US US09/376,049 patent/US6270917B1/en not_active Expired - Fee Related
- 1999-10-06 DE DE19948086A patent/DE19948086B4/de not_active Expired - Fee Related
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