JP2001135343A - 高分子電解質型燃料電池スタック - Google Patents

高分子電解質型燃料電池スタック

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Tatsuto Yamazaki
達人 山崎
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分子電解質型燃料電池の締結方法は、従
来、締結板を用いて同径の締結ボルト4点の支持によっ
て締結されていた。この方法では、電極に与える面圧の
不均一性によって安定した性能を得ることが困難であっ
た。また、このような電池スタックを電気自動車の電力
源として用いたときは、電池スタックが自動車の走行に
より、強い振動を受ける。そのときは、上記の加圧の面
内バラツキが、更に助長され、電池の特性劣化を生む原
因になる。 【解決手段】 面を規定する3点の異径締結ボルトで燃
料電池を締結する。

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
する高分子電解質を用いた燃料電池スタックに関し、特
にその締結方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する燃料
ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱と
を同時に発生させるものである。その構造は、まず、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、
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
る触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面
に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層
を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極と
する。
【0003】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ぶ。MEA
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のMEA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を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
【0004】この溝に燃料ガスを供給するためには、燃
料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に
分岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込
む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
【0005】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、1〜3セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのMEAとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【0006】高分子電解質型の燃料電池では、単電池を
積層する際に高分子電解質膜と電極に一定の面圧を与え
ることで、電池のインピーダンスを減らし、スムーズに
水素/酸素の酸化還元反応を促進させる必要がある。こ
の時、MEAの表面に均一な面圧を与えることが重要で
ある。MEAの加圧にバラツキがあると、強い加圧部分
で集中的に反応が起こり、その部分に電流が集中する。
このとき、電池の分極がその部分に集中するため、局所
的に温度が大きく上昇し、電極が劣化したり、高分子電
解質膜に破損が生じる可能性がある。
【0007】このような状況で、高分子電解質型燃料電
池の従来の締結方法は、電池スタックの積層方向の両端
にエンドプレートを配置し、同じ直径の4個以上のボル
トを配置した締結板でこのエンドプレートを加圧してい
た。また、締結でのひずみを均一化するため、締結板を
2分割した方法も提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】同じ直径の4個以上の
ボルトを配置した締結板で、エンドプレートを加圧する
と、エンドプレートの加圧状態が、面方向でバラツク。
この理由は、平面は3つの点で一意的に限定されるが、
点が4個だと、2つの平面が発生する。4本脚の机がガ
タガタするのは、このためである。4個のボルトを完全
に同じ圧力で絞めたときは、当然バラツキは起こらない
が、数十個の電池を積層した高分子型燃料電池スタック
の締結で、完全に同じ圧力で締め上げることは難しい。
【0009】また、このような電池スタックを電気自動
車の電力源として用いたときは、電池スタックが自動車
の走行により、強い振動を受ける。そのときは、上記の
加圧の面内バラツキが、更に助長され、電池の特性劣化
を生む原因になる。
【0010】また、従来の締結方法では、締結のための
部品点数が多くなると共に、燃料電池の組み立てにおけ
る作業工程が増えることになり、また、電池に対しての
ひずみが大きくなってしまい、毎回の組み立てでの電極
に与える面圧の不均一性のために、これらが実用化の為
の障害となる。
【0011】また、締結部品が極端に過剰な力を受けた
状態で電池を長期間運転すると、前記部品の劣化が予想
され、燃料ガスの漏れ発生などの安全面において疑問視
されるという課題がある。
【0012】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池スタックは、水素イ
オン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高
分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極
の一方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供
給排出するガス流路を有する一対の導電性セパレータと
を具備した単電池を、複数個積層した高分子電解質型燃
料電池スタックであって、前記電池スタックの積層方向
の両端に配置した一対のエンドプレートと、前記エンド
プレートを前記電池スタックの積層方向に加圧する3本
のボルトを配置した帯状締結枠とを具備したことを特徴
とする。
【0013】このとき、帯状締結枠に配置した3本のボ
ルトの径を、エンドプレート表面の中心部に近いものほ
ど大きくしたことが望ましい。
【0014】また、帯状締結枠を複数個具備したことが
有効である。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。
【0016】本発明のポイントは、面を規定する3点の
異径締結ボルトで燃料電池を締結することで電池全面に
対しひずみを取りながら、締結に必要とする部品点数と
作業工程の削減を可能にし、均一な面圧を常に維持させ
る方法を見出したことである。
【0017】
【実施例】本発明に適する実施例を図面に従って、具体
的に説明する。
【0018】(実施例1)まず、本発明のポイントであ
る燃料電池の締め付け構造を、図1、図2及び図3を用
いて説明する。図1は締め付け構造を示した外面図であ
り、図2はその断面図である。図1において、11は単
位電池の積層部分である。単位電池の積層部分11の上
下にはエンドプレート12を配置する。13は集電板で
あり出力端子14と電気的につながっている。単位電池
の積層部分11とエンドプレート12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する。エン
ドプレート12及び単位電池の積層部分11は、締結板
14と締結部材15により締め付けられている。即ち、
図2に於いて、エンドプレート及び単位電池の積層部分
に対して、その左右の周囲を締結部材15で覆い、上部
から締結ボルト16および17、下部から皿バネ22で
エンドプレート12に圧力を加え、これで単位電池の積
層部分11を締め付ける。ただし、締結ボルト17の位
置は、締結ボルト16の位置に較べて、電池の平面方向
で中央部にあるため、電池を平面方向に均一に加圧する
ためには、より大きな力で締め付けなければならない。
そこで、締結ボルト16は直径10mmのものを用い、
締結ボルト17は直径16mmのものを用いた。締結板
14におけるボルト16とボルト17の取り付け位置の
概略を図3(a)に示した。
【0019】以下、燃料電池の製造方法を説明する。
【0020】炭素微粉末(米国キャボット社製VXC7
2、一次粒子径:30nm、比表面積:254m2
g)に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持
したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロ
パノ−ルに分散させた溶液に、水素イオン伝導性高分子
電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末を
エチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混
合し、触媒ペーストを作成した。
【0021】一方、電極の多孔性基材となるカーボンペ
ーパーを撥水処理した。厚み360μmのカ−ボン不織
布(東レ製、TGP−H−120)を、ポリテトラフル
オロエチレン含有の水性ディスパージョン(ダイキン工
業製、ネオフロンND1)に含浸した後、これを乾燥
し、400℃で30分加熱することで、撥水性を与え
た。
【0022】このカ−ボン不織布の上に、前述の触媒ペ
ーストをクリ−ン印刷法をもちいて塗布することで触媒
層を形成した。このようにして作成した触媒層とカ−ボ
ン不織布とを合わせて電極とした。電極中に含まれる白
金量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスル
ホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
【0023】次に、外寸の大きさを前述の電極より5m
m大きくした、プロトン伝導性高分子電解質膜(米国デ
ュポン社製ナフィオン112)の裏表両面に、一対の電
極を触媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレス
で接合し、これを電極電解質膜接合体(MEA)とし
た。
【0024】このMEAをセパレータ板で挟み込んで単
電池の構成とした。セパレータ板の作成は、カーボン粉
末材料を冷間プレス成形したカーボン板に、フェノール
樹脂を含浸・硬化させガスシール性を改善した樹脂含浸
したものを用い、これに切削加工でガス流路を形成し
た。セパレータの大きさは10cm×20cm、厚さは
4mmであり、溝部は幅2mmで深さ1.5mmの凹部
であり、この部分をガスが流通する。また、ガス流路間
のリブ部は幅1mmの凸部である。また、酸化剤ガスの
マニホルド孔と、燃料ガスのマニホルド孔と、冷却水の
マニホルド孔を、セパレータに形成した。また、ガス流
通路と、マニホールド孔の周りに、ポリイソブチレンに
導電性カーボンを分散させた導電性のガスシール剤で、
ガスシール部を形成した。
【0025】以上のように作成したMEAの両面に、導
電性セパレータの表面の燃料ガス流通側と、導電性セパ
レータの裏面の酸化剤ガス流通側とを接合し、単電池A
とした。また、MEAの両面に、導電性セパレータの表
面の燃料ガス流通側と、導電性セパレータの裏面の冷却
水流通側とを接合し、単電池Bとした。
【0026】次に、単電池Aと単電池Bとを1セルずつ
交互に積層し、合計で50セル積層することで、単位電
池の積層部分とした。
【0027】この積層体の上下にエンドプレートを配
し、図1、2で説明した締結構造とした。即ち、締結部
材12を介して締結ボルト16、17と皿バネ22で締
結力を与える構造とし、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。
【0028】(比較例1)実施例1では、積層電池部分
を3個のボルトで締め付けたが、この部分を4個のボル
トで締め付けたものを比較例とした。締結板におけるボ
ルトの取り付け位置の概略を、図3(b)に示した。比
較例では直径16mmのボルトを用いた。これ以外は、
実施例1で作成した電池と全て同一とした。
【0029】(特性評価)以上の実施例1と比較例1で
作成した電池に対して、以下の条件で特性を評価した。
燃料極に純水素ガスを、空気極に空気をそれぞれ供給し
た。燃料ガス利用率(Uf)を70%、空気利用率(U
o)を20%とした。ガスの加湿は、燃料ガスを85
℃、空気を65〜70℃の加湿バブラーに通すことで行
った。電池温度は冷却水の温度と流量を調節することで
75℃に維持した。駆動電流はMEAの面積あたり0.
5A/cm2 とした。
【0030】図4に、本発明の実施例の電池と比較例の
電池の特性を示した。図4では、縦軸は燃料電池の出力
電圧を単位電池の積層数で割ったものを示し、横軸は運
転時間を示した。図4に示した結果から、本発明の電池
は比較例の電池と較べて、長期信頼性に優れたものであ
ることを確認した。
【0031】
【発明の効果】本発明によると、燃料電池スタックの締
結方法として、従来の4点支持に替わり、MEAに余計
なひずみを与えず、かつ均一に面圧を与えることができ
るため、燃料電池の安定した運転への実現に寄与する。
この効果は、この電池スタックを電気自動車に応用した
とき更に顕著になる。また、部品点数と作業工程の削減
により量産時におけるコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池
スタックの外観を示した構成概略図
【図2】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池
スタックの断面を示した構成概略図
【図3】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池
スタックのボルト取り付け位置の概略図
【図4】本発明の実施例の電池と比較例の電池の特性を
示したグラフ
【符号の説明】
11 単位電池の積層部分 12 エンドプレート 13 集電板 14 締結板 15 締結部材 16,17 締結ボルト 18 出力端子 22 皿バネ
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 山崎 達人 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 BB02 CC03 CC08 CX04 EE18 HH01 HH03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
    記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一
    対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、
    他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対
    の導電性セパレータとを具備した単電池を、複数個積層
    した高分子電解質型燃料電池スタックであって、前記電
    池スタックの積層方向の両端に配置した一対のエンドプ
    レートと、前記エンドプレートを前記電池スタックの積
    層方向に加圧する3本のボルトを配置した帯状締結枠と
    を具備したことを特徴とする高分子電解質型燃料電池ス
    タック。
  2. 【請求項2】 帯状締結枠に配置した3本のボルトの径
    を、エンドプレート表面の中心部に近いものほど大きく
    したことを特徴とする請求項1記載の高分子電解質型燃
    料電池スタック。
  3. 【請求項3】 帯状締結枠を複数個具備したことを特徴
    とする請求項1または2記載の高分子電解質型燃料電池
    スタック。
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