JP2001135344A - 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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修 酒井
Junji Niikura
順二 新倉
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Hideo Obara
英夫 小原
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Toshihiro Matsumoto
敏宏 松本
Tatsuto Yamazaki
達人 山崎
Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の高分子電解質型燃料電池は、エンドプ
レートや締結ロッドなどの締め付け機構が長大になりが
ちで燃料電池スタックのコンパクト化、軽量化に向けて
の課題となっている。肉厚の端板や締結ロッドを用いな
い比較的コンパクトで軽量な締結機構の提案も成されて
いるが、衝撃や振動に対する信頼性は十分であると言え
ない。 【解決手段】 金属製締結バンドの端部と補助プレート
にそれぞれ円筒状の連結部を設け、高強度の円棒状金属
ピンとＥリングにより連結し、補助プレートに配した皿
ばね及びボルトによりエンドプレートを介して燃料電池
積層体に締め付け圧を付与する。この締結形態により、
コンパクトかつ軽量で、衝撃や振動に対する信頼性の高
い高分子電解質型燃料電池を得た。

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高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、水素などの
燃料ガスと空気などの酸化ガスを白金などの触媒層を有
するガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもの
で、電気と熱とを同時に発生させるものである。このよ
うな高分子電解質燃料電池の一般的な構成を図１に示し
た。
【０００３】図１において水素イオンを選択的に輸送す
る高分子電解質膜１１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１２を密
着して配置する。さらに触媒層１２の外面には、ガス透
過性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層１３をこれに密
着して配置する。この拡散層１３と触媒反応層１２によ
り電極１４を構成する。電極１４の外側には、電極１４
と高分子電解質膜１１とで形成した電極電解質膜接合体
（以下、ＭＥＡ）１５を機械的に固定するとともに、隣
接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続し、さら
に電極に反応ガスを供給しかつ反応により発生した水や
余剰のガスを運び去るためのガス流路１６を一方の面に
形成した導電性セパレータ板１７を配置する。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
タ板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】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とっている。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セル毎に冷却水路１８等の冷却機構を
設けることにより、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。
【０００５】また、このような積層電池ではガス供給孔
やガス排出口、さらに冷却溶媒の供給、排出孔を積層電
池内部に設けるいわゆる内部マニホールド型が一般的で
ある。しかしながら、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とれる構造として、外部マニホー
ルド型も検討されている。
【０００６】さらに上記のような高分子電解質型燃料電
池スタックでは、セパレータ板等の構成部品の電気的接
触抵抗を低減するため、また燃料ガスや酸化剤ガスのシ
ール性を維持するため、電池全体を恒常的に締め付ける
ことが必要である。このためには、多数の単電池を一方
向に積み重ねたその両端にそれぞれエンドプレートを配
置し、その両エンドプレートの間を締結用部材を用いて
固定し、締め付け圧を加えることが効果的である。
【０００７】締め付ける際、単電池の面内で均一に締め
付けることが望ましく、機械的強度の観点から、エンド
プレートや締結部材等はステンレス鋼などの金属材料が
通常用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】これまで、固体高分子
型燃料電池スタックにおける積層電池の固定及び積層方
向の締め付け機構としては、複数本のボルト形状の締結
ロッド２３を両端のエンドプレート２２を貫通するよう
に挿入し、スクリューばね２４を介することで、締結、
加圧する形態が最も一般的である。この形態の電池スタ
ックの斜視図を図２に示す。
【０００９】しかしながら、電気的接触抵抗の低減、及
びガスシール性の維持のためには相当な面圧が必要であ
り、締め付けロッドなどの締め付け部材が長大になりが
ちで、燃料電池スタックのコンパクト化、軽量化に向け
ての課題となっていた。さらに、このような積層体２１
の外側に締結ロッドを配置する形態ではエンドプレート
２２が変形しやすく、エンドプレートの薄肉化を困難に
していた。
【００１０】また、発明者らは先に特願平１０−２３４
３７１において、図３に示すような一対の辺に溝状の凹
部３９を有する補助プレート３３，３４と前記凹部に係
合する爪状凸部３８を設けた金属製締結バンド３７から
なる締結部材により連結され、ボルト３６を補助プレー
ト３３に螺入させることにより、補助プレート３４に配
された皿バネ３５を圧縮し、これにより両端のエンドプ
レート３２を介して積層体３１を締め付ける手法を提案
したが、耐衝撃性や電気自動車用に応用する際の耐振動
性に課題があった。
【００１１】
【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、前記積層部の両端に
一対のエンドプレートを配置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に締
結力を付与するばねを具備した下面側補助プレートと、
前記電池スタックの積層方向に締結力を付与するボルト
を具備した上面側補助プレートとで前記電池スタックを
挟持し、前記下面側補助プレートと前記上面側補助プレ
ートとを係合した回転部分を有する締結部材で、前記電
池スタックの積層方向への加圧を維持することで、前記
電池スタックを締結することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の締結形態による高分子型
燃料電池スタックの斜視図を図４に、断面図を図５に示
すに示す。
【００１３】補助プレートと金属製バンドとの連結の信
頼性を高めるため、金属製締結バンド４７の端部に円筒
状の連結部４８を設け、前記連結部と一直線上に円筒の
穴が並ぶように補助プレート４３，４４にも円筒状の連
結部４８を設ける。電池スタック締結時、一直線上に並
ぶ円筒状連結部に高強度の円棒状金属ピン４９を挿入し
前記金属ピン４９の両端をＥリング５０を用いて固定す
る。一本の金属ピンが貫く円筒状連結部４８は、破断に
耐えうるサイズを保ちつつ、力が分散されるように複数
箇所設けることがより望ましい。
【００１４】締結圧の付与ついては、複数のボルト４６
をスタック上部に設置した補助プレート４３に螺入させ
て、対となる下部補助プレート４４に配された皿ばね４
５を圧縮し、これによって両エンドプレート４２を介し
て積層体４１に必要となる締結圧がかけられる。
【００１５】本発明の締結手法は、屈曲部に可動性を有
しつつ、締結部材は強固に連結されるという形態が実現
され、衝撃や振動に対する信頼性が高い。
【００１６】また、Ｅリングによる固定であるので締結
部材の脱着も非常に簡便で、組立性にも優れる。
【００１７】
【実施例】まず電極の作成方法について説明する。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に白金触媒を担
持させた。この白金担持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。
【００１８】一方、電極部ベースとなる厚さ４００μｍ
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
した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱処理する
ことでカーボンペーパに撥水性を付与した。次に撥水処
理を施したカーボンペーパの片面に上記のスラリーを均
一に塗布して触媒反応層形成し、電極とした。
【００１９】つぎに２枚の電極を、電極より一回り外寸
の大きい高分子電解質膜の両面に、触媒反応層を備えた
面がそれぞれ高分子電解質膜と向き合うようにし、高分
子電解質の中央に位置するように重ね合わせ、さらに周
縁部にシリコンゴム製のガスケットを位置合わせした
後、１００℃、５分間ホットプレスし、電極電解質接合
体（ＭＥＡ）を得た。さらに前記ＭＥＡを長さ２０ｃ
ｍ、幅１０ｃｍに切断した。
【００２０】得られたＭＥＡをセパレータを介して５０
セル積層させ、積層体とした。セパレータは厚さ４mmの
カーボン製で気密性を有する。またＭＥＡと接する表面
には幅２mmで深さ1mmのガス流路を切削加工により形成
した。また、２セル毎に冷却水路を配置した。
【００２１】この積層体の上下に絶縁板を介してＳＵＳ
３０４製のエンドプレートを配し、実施の形態で説明し
た手法で締結構造を形成した。すなわち、円筒状連結部
を溶接により接合した厚み1mm、幅６５mmの金属バンド
（SUS３０４−ＣＳＰ製）４枚と円筒状連結部を具備し
た補助プレート（ＳＣＭ４３５製）二組を、前記のエン
ドプレートを配した積層体を二帯で囲うように配し、Ｓ
ＫＤ１１製連結ピンとＥリングで各々を連結する。さら
に下部補助プレート内側に配した皿バネ及び上部補助プ
レートに螺入するボルトで締結力を与える構造とした。
皿バネのバネ係数は５００kgf/mmで複数個の皿バネを用
いて組立時の締結圧力を１３kgf/cm2とした。感熱紙に
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。
【００２２】締結後、電池スタック両側面にはガスケッ
トを介して樹脂製のマニホールドを設置した。前記マニ
ホールドを通じて水素、空気、及び冷却水を供給、排出
する。
【００２３】電池スタック組立後、マニホールドを通じ
て水素、空気、及び冷却水を供給、排出し電池運転を行
ったが、ガスリーク、冷却水漏れは確認されず、また電
池性能も良好であった。
【００２４】その後、落下試験を行った。電池スタック
を高さ１ｍからプラスチックタイル床へ５度、自由落下
させたが、スタック外観や締結部材の連結部等に損傷は
確認されなかった。落下試験後にマニホールドを通じて
水素、空気、及び冷却水を供給、排出し電池運転を行っ
たが、ガスリーク、冷却水漏れは確認されず、電池性能
も変化しなかった。
【００２５】つぎに、上記の電池スタックに対して振動
試験を行った。２Ｇ、１２Ｈｚ、連続４８時間の条件で
振動試験を行った。試験後、同様にしてマニホールドを
通じて水素、空気、及び冷却水を供給、排出し電池運転
を行ったが、ガスリーク、冷却水漏れは確認されず、電
池性能も変化しなかった。
【００２６】
【発明の効果】本発明により、屈曲部に可動性を有しつ
つ、締結部材は強固に連結され、衝撃や振動に対する信
頼性の高い高分子電解質型燃料電池スタックの締結形態
が実現された。また、Ｅリングによる固定であるので締
結部材の脱着も非常に容易で、組立性にも優れる。さら
に、積層体両端に配するエンドプレートに対して、より
均一に締め付け圧を加えることが可能であり、エンドプ
レートの薄肉化も実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な高分子電解質型燃料電池の一部を切り
欠いた構成を示した断面図
【図２】従来の高分子電解質型燃料電池スタックの斜視
図
【図３】比較例である高分子電解質型燃料電池スタック
の構成を示した断面図
【図４】本発明の高分子電解質型燃料電池スタックの斜
視図
【図５】本発明の高分子電解質型燃料電池スタックの構
成を示した断面図
【符号の説明】
１１ 高分子電解質膜 １２ 触媒反応層 １３ 拡散層 １４ 電極 １５ 電極電解質接合体（ＭＥＡ） １６，２６ ガス流路 １７ 導電性セパレータ １８，２８ 冷却水路 １９ ガスケット ２０ シール材 ２１，３１，４１ 燃料電池積層体 ２２，３２，４２ エンドプレート ２３ 締結ロッド ２４ スクリューばね ３３，４３ 上部補助プレート ３４，４４ 下部補助プレート ３５，４５ 皿ばね ３６，４６ ボルト ３７，４７ 締結バンド ３８ 爪状凸部 ３９ 溝状凹部 ４８ 円筒状連結部 ４９ 円棒状金属ピン ５０ Ｅリング
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 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 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 (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 竹口 伸介 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 BB02 CX08

Claims (1)

    【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、前記積層部の両端に一対のエンドプレートを配置し
    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に締結力を付与するばねを具備した
    下面側補助プレートと、前記電池スタックの積層方向に
    締結力を付与するボルトを具備した上面側補助プレート
    とで前記電池スタックを挟持し、前記下面側補助プレー
    トと前記上面側補助プレートとを係合した回転部分を有
    する締結部材で、前記電池スタックの積層方向への加圧
    を維持することで、前記電池スタックを締結することを
    特徴とする高分子電解質型燃料電池スタック。
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