JP2002216835A

JP2002216835A - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP2002216835A
Application number: JP2001012395A
Authority: JP
Inventors: Terubumi Miyakoshi; 光史宮腰; Hiroshi Miyazawa; 弘宮沢; Yukihiro Nakamura; 亨弘中村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】外形寸法の増大や発電能力の低下を来すこと
なく、セルの面全体に対して均一な加圧力を作用させて
伝導体膜と電極との密着を良好にさせ、セル間の良好な
密着力を提供することが可能な燃料電池モジュールの提
供。【解決手段】燃料電池スタック２は、発電素子３乃至
１０の積層方向に延びる外郭構造体１６内に収容され
る。外郭構造体１６は、管状体１６Ａと、その一端部に
管状体１６Ａと一体的に設けられた底部１６Ｂとからな
る。底部１６Ｂは燃料電池スタック２の一端面に面す
る。管状体１６Ａの他端部は開口し、内周面に雌ねじ１
６Ｃが形成されている。押え板１７の周面１７Ａには、
雌ねじと螺合する雄ねじが形成され、螺合によって、押
え板１７は外郭構造体１６に取付け可能であると共に、
押え板１７の主要面１７Ｂ全体が燃料電池スタック２の
他端面全体を当接押圧し、燃料電池スタック２を均一に
加圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池モジュールに関
し、特に、少なくとも１の発電素子（セル）を加圧下で
収容配置する燃料電池モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、セルと呼ばれる発電素子を
複数並べて接続し、燃料電池スタックとして使用するの
が一般的である。ここでセルは、水素イオンを通す高分
子の伝導体膜を、水素電極と酸素電極からなる２枚の電
極で挟んでおり、更にその両側をセパレータで囲む構造
である。酸素と水素が、セパレータに設けた通路に互い
に独立して供給されると、水素ガスは水素電極によって
水素イオンとなり、伝導体膜を通過して酸素電極側に移
動する。水素電極においてイオン化するとき、水素は電
子を放出する。さらに、酸素電極において、水素イオン
と酸素が化学反応を起こし、酸素電極から電子を奪って
水を生成する。こうして、水素電極と酸素電極の間に電
位差を生じさせる。動作時の電位差は１セル当りで１ボ
ルトに満たないことが多いが、多数のセルを積層して直
列接続することで高い電圧が得られる。

【０００３】１個のセルの出力を向上させるためには、
伝導体膜と電極との密着が必要である。また燃料電池ス
タック全体の出力を向上させるためには、各セル間の密
着度を向上させて、接続部分での電力の抵抗損失を防ぐ
必要があり、セルの積層体に所望の圧縮力を作用させる
必要がある。このために、従来の燃料電池では、互いに
積層された複数のセルが集合したセル積層体を挟むよう
に、セル積層体の先頭のセルの前方と末尾のセルの後方
にそれぞれ端板を配置し、セルを積層方向に加圧するた
めに、端板を互いに接近する方向に付勢するための加圧
ネジとナットが設けられる。具体的には、例えば、端板
の外形寸法は、各セルの外形寸法よりも大きく形成し、
端板の各セルの投影面の外側位置に、４個の穴が形成さ
れ、それぞれの穴は、対向する端板の穴と同軸となるよ
うに配置される。そして、加圧ネジを対向する端板の穴
部に貫通配置させ、端板の外側に突出した加圧ネジにナ
ットを螺合締結することで、端板間でセル積層体を加圧
している。

【０００４】また、他の従来の燃料電池では、端板をセ
ル積層体を挟むように配置することは同じであるが、各
セルの略中央部に、貫通穴を同軸形成し、貫通穴に加圧
ネジを挿通させ、端板の外側に突出した加圧ネジにナッ
トを螺合締結することで、端板間でセル積層体を加圧し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、セルの外形輪
郭の外側に４本の加圧ネジが位置する従来構成では、燃
料電池全体でみると、セルの面方向でのサイズが増大
し、全体として嵩張る構成となる。また、加圧は、セル
と干渉しない位置、即ち端板の４隅に配置されているた
め、ナットの締結によって端板の四隅に加重がかかるこ
とになる。即ち加圧ネジ付近ではセルの構成要素やセル
同士を互いに強く加圧することができるが、ネジから離
間した場所では、加圧力が不十分となり、面全体で均一
な加圧力とはならない。

【０００６】またセルの積層面をボルトが貫通する従来
構成では、セルの面積が、貫通穴の分だけ減少すること
になるので、各セルの発電能力がその分だけ低下する。

【０００７】そこで本発明は、外形寸法を増大させるこ
となく、またセルの発電能力の低下を来すことなく、セ
ルの面全体に対して均一な加圧力を作用させて伝導体膜
と電極との密着を良好にさせ、また多数のセルを積層す
る構造の場合には、セル間の良好な密着力を提供するこ
とが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、酸素電極集電体と、該酸素電極集電体に面当接し、
酸素電極本体とプロトン伝導体と水素電極本体とが一体
化されたＭＥＡと、該ＭＥＡに面当接する水素電極集電
体とにより積層構造をなす発電素子を少なくとも１個有
する燃料電池モジュールにおいて、該少なくとも１個の
発電素子を収容するために積層方向に延びる外郭構造体
と、該少なくとも１個の発電素子を加圧するための円盤
状の押え板が設けられ、該外郭構造体は管状体をなし、
その一端は開口して開口部内周面に雌ネジが形成され、
他端には該管状体と一体の底部が設けられて該少なくと
も１個の発電素子の一端面は該底部に面して該管状体の
内部に配置され、該押え板は主要面と周面とを有し、該
周面には該雌ネジと螺合する雄ネジが形成され、螺合に
よって該主要面全体が該少なくとも１個の発電素子の他
端面全体を当接押圧する燃料電池モジュールを提供して
いる。

【０００９】ここで、該酸素電極集電体と該水素電極集
電体とは円形をなすと共に、それぞれ、複数の板状環状
体が同心円状に互いに半径方向に離間して配列して構成
され、該酸素電極集電体と該水素電極集電体との複数の
板状環状体は、積層方向に互いに重なって配置されるの
が好ましい。

【００１０】本発明はまた、酸素電極集電体と、該酸素
電極集電体に面当接し、酸素電極本体とプロトン伝導体
と水素電極本体とが一体化されたＭＥＡと、該ＭＥＡに
面当接する水素電極集電体とにより積層構造をなす発電
素子を、少なくとも２個積層方向に配列してなる燃料電
池スタックを有する燃料電池モジュールにおいて、該少
なくとも２個の発電素子は、該水素電極集電体同士が対
向するよう配置され、該対向する水素電極集電体の間に
は水素流路構造体が配置され、該燃料電池スタックを収
容するために積層方向に延びる外郭構造体と、該燃料電
池スタックを加圧するための円盤状の押え板が設けら
れ、該外郭構造体は管状体をなし、その一端は開口して
開口部内周面に雌ネジが形成され、他端には該管状体と
一体の底部が設けられて該燃料電池スタックの一端面は
該底部に面して該管状体の内部に配置され、該押え板は
主要面と周面とを有し、該周面には該雌ネジと螺合する
雄ネジが形成され、螺合によって該主要面全体が該燃料
電池スタックの他端面全体を当接押圧する燃料電池モジ
ュールを提供している。

【００１１】ここで、該水素流路構造体には流路部が規
定され、該酸素電極集電体と、該水素電極集電体と、該
水素流路構造体とは、円形をなすと共に、それぞれ、複
数の板状環状体が同心円状に互いに半径方向に離間して
配列して構成され、該酸素電極集電体と該水素電極集電
体と該水素流路構造体との複数の板状環状体は、該流路
部を除き、積層方向に互いに重なって配置されるのが好
ましい。

【００１２】また、該燃料電池スタックは、該発電素子
を少なくとも３個該積層方向に配列してなり、該少なく
とも３個の発電素子のうち、少なくとも２個の該発電素
子は、酸素電極集電体同士が対向するよう配置され、該
対向する酸素電極集電体の間には酸素流路構造体が配置
され、該外郭構造体の周面には、該酸素流路構造体に外
気を導入するための該外郭構造体の半径方向に指向する
貫通孔が形成されるのが好ましい。

【００１３】更に、該酸素流路構造体には流路部が規定
され、該酸素流路構造体は、円形をなすと共に、それぞ
れ複数の板状環状体が同心円状に互いに半径方向に離間
して配列して構成され、該酸素流路構造体の複数の板状
環状体は、該流路部を除き、該酸素電極集電体と、該水
素電極集電体と、該水素流路構造体の板状環状体と積層
方向に重なって配置されるのが好ましい。

【００１４】加えて、該燃料電池スタックは、該発電素
子を偶数個該積層方向に配列してなり、該発電素子は互
いに該酸素電極集電体同士及び該水素電極集電体同士が
対向するよう配列され、該押え板は該酸素電極集電体に
面当接し、該押え板には、酸素電極集電体に外気を供給
するための該積層方向に指向する複数の貫通孔が形成さ
れ、該底部も該酸素電極集電体に面当接し、該底部には
酸素電極集電体に外気を供給するための該積層方向に指
向する複数の貫通孔が形成されているのが好ましい。

【００１５】加えて、該底部の周縁部には、該貫通孔が
形成された部分よりも該積層方向に突出する凸部が形成
されているのが好ましい。

【００１６】加えて、該押え板の該主要面は、その中央
部が該発電素子側に突出する球形の一部形状をなしてい
るのが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による燃料電
池モジュールについて図１乃至図１２に基づき説明す
る。図１は、本発明の実施の形態による燃料電池モジュ
ール１の断面図、図２は図１の部分拡大図である。

【００１８】燃料電池モジュール１は、燃料電池スタッ
ク２を有する。燃料電池スタック２は、図１の上から順
に発電素子３、４、５、６、７、８、９、１０が、８個
積層配列されている。発電素子３、４、５、６、７、
８、９、１０は、それぞれ、酸素電極集電体１１（図
２）と、これら酸素電極集電体１１に面当接したＭＥＡ
１２と、これらＭＥＡ１２に面当接する水素電極集電体
１３とにより積層構造をなす。ここで、ＭＥＡとは、Ｍ
ｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌ
ｙの略であり、図１０に示されるような、酸素電極本体
（１２Ａ）と、プロトン伝導膜（１２Ｂ）と、水素電極
本体（１２Ｃ）とを積層してなる、いわゆる膜電極一体
構造を意味する。

【００１９】発電素子３と発電素子４、発電素子５と発
電素子６、発電素子７と発電素子８、発電素子９と発電
素子１０は、それぞれ水素電極集電体１３と水素電極集
電体１３同士が対向するよう配置されている。また、対
向する水素電極集電体１３の間には水素流路構造体１４
が、それぞれ配置されている。また、発電素子４と発電
素子５、発電素子６と発電素子７、発電素子８と発電素
子９は、酸素電極集電体１１と酸素電極集電体１１が対
向するよう配置され、対向する酸素電極集電体１１の間
には、酸素流路構造体１５が、それぞれ配置されてい
る。

【００２０】燃料電池スタック２は、発電素子３、４、
５、６、７、８、９、１０の積層方向に延びる外郭構造
体１６内に収容される。外郭構造体１６は、管状体１６
Ａ（図３、図４、図５）と、その一端部に管状体１６Ａ
と一体的に設けられた底部１６Ｂ（図６）とからなる。
図１に示されるように、管状体１６Ａの他端部は開口
し、内周面に雌ねじ１６Ｃが形成されている。図５に示
すように、管状体１６Ａには、管状体１６Ａの半径方向
に貫通する複数の貫通孔１６ａが形成され、管状体１６
Ａ内部の酸素流路構造体１５を通じて、酸素電極集電体
１１に外気を供給することが可能となっている。また、
管状体１６Ａには、図３に示されるように、酸素電極集
電体１１および水素電極集電体１３から起電力を取出す
ためのリード部挿通孔１６ｃが穿設されている。更に管
状体１６Ａには直径方向反対側に一対の水素通過口１６
ｄが貫通形成されている。

【００２１】図１に示されるように、燃料電池スタック
２の一端面をなす発電素子１０の酸素電極集電体１１
は、底部１６Ｂに面して管状体１６Ａの内部に配置され
る。図１、図６に示されるように、底部１６Ｂには、積
層方向に貫通する複数の貫通孔１６ｂが形成され、発電
素子３の酸素電極集電体１１を介して発電素子３の酸素
電極本体１２Ａに外気を供給することが可能となってい
る。また、底部１６Ｂの燃料電池スタック２に面する側
とは反対側面の周縁部には、貫通孔１６ｂが形成された
部分よりも積層方向に突出する凸部１６Ｄが形成され、
凸部１６Ｄの底面が外部部材に当接したとき貫通孔１６
ｂが塞がれず、底部１６Ｂに面する酸素電極集電体１１
を介して発電素子１０の酸素電極本体１２Ａに確実に外
気を供給可能なように構成されている。

【００２２】図１、図４に示されるように、外郭構造体
１６の開口端には、円盤状の押え板１７が設けられる。
押え板１７の周面１７Ａには、外郭構造体１６に形成さ
れた雌ねじと螺合する雄ねじが形成され、螺合によっ
て、押え板１７は外郭構造体１６に取付け可能であると
共に、上記積層方向に移動可能である。押え板１７の主
要面１７Ｂは、燃料電池スタック２の他端面をなす発電
素子３の酸素電極集電体１１に面しており、押え板１７
が酸素電極集電体１１側に移動することにより、押え板
１７の主要面１７Ｂ全体が燃料電池スタック２の他端面
全体を当接押圧し、燃料電池スタック２を加圧する。図
７、図８に示されるように、主要面１７Ｂには、積層方
向に指向する複数の貫通孔１７ａが形成され、発電素子
３の酸素電極１１を通じて発電素子３の酸素電極本体１
２Ａに外気を供給することが可能となっている。また、
図８に示されるように、好ましくは、主要面１７Ｂは、
その中央部が発電素子３側に突出する球形の一部の形状
をなす。これにより、押え板１７の、外郭構造体１６内
周面に螺合する外周縁に過重な圧力がかかり、中央部に
おける圧力が小さくなることが回避され、燃料電池スタ
ック２の端面全体を均一に押圧することができる。

【００２３】外郭構造体１６の互いに直径方向反対側と
なる位置であって、上記水素通過口１６ｄに対応した位
置には、水素充填室１８、１９が固定され、水素充填室
１８は水素供給路１８Ａへ通じ、水素充填室１９は水素
排出路１９Ａへ通じている。図２に水素供給路１８Ａ付
近の部分拡大図を示すが、水素排出路１９Ａ付近も同様
の構成である。水素充填室１８，１９にはそれぞれ水素
ガスを封止するためのシール部１８Ｂ、１９Ｂが設けら
れている。これらの構成によって後述するように、水素
充填室１８、１９とそれぞれの水素電極集電体１３との
間で水素ガスが流通可能となる。

【００２４】図９及び図１１乃至図１３に示されるよう
に、酸素電極集電体１１、水素電極集電体１３、水素流
路構造体１４、酸素流路構造体１５は、円形をなすと共
に、それぞれ、複数の板状環状体が同心円状に互いに半
径方向に離間して配列して構成される。

【００２５】図２に示されるように、最下の発電素子１
０の最下層が酸素電極集電体１１であり、また各発電素
子の酸素電極集電体１１は、全て同一形状で、ステンレ
ス等の導電性金属よりなる。図９に示されるように、各
セルの酸素電極集電体１１は、複数の板状環状体１１
Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅが同心円状に互い
に半径方向に離間して配列して構成され、直線状の繋ぎ
部１１Ｆにより、複数の板状環状体１１Ａ、１１Ｂ、１
１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを一体化することにより構成され
る。板状環状体１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１
Ｅにより、同心円状の流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１
１ｄ、１１ｅが画成される。また、最外周部に位置する
板状環状体１１Ｅの外周面からは、起電力を取出すため
の各セルのリード部１１Ｇが半径方向外方に突出して設
けられる。リード部１１Ｇは、外郭構造体１６の管状体
１６Ａのリード部挿通孔１６ｃから外郭構造体１６の外
周側へ突出するよう配置される。

【００２６】最下層の酸素電極集電体１１の上側にはＭ
ＥＡ１２が位置する。図１０に示されるように、ＭＥＡ
１２は３層構造の一体物であり、円盤状をなし、その外
径寸法は酸素電極集電体１１の外径寸法と同じである。
ＭＥＡ１２は、円盤状のカーボン等の導電性のガス拡散
層からなる酸素電極本体１２Ａと、プロトン伝導膜１２
Ｂと、酸素電極本体１２Ａと同じく円盤状のカーボン等
の導電性のガス拡散層からなる水素電極本体１２Ｃとを
発電素子３、４、５、６、７、８、９、１０の積層方向
に積層することにより構成される。ＭＥＡ１２は、酸素
電極本体１２Ａが酸素電極集電体１１に面するように、
水素電極本体１２Ｃが水素電極集電体１３に面するよう
に、配置される。

【００２７】プロトン伝導膜１２Ｂは、フラーレン誘導
体系材料により構成され、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ
プロピレン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）により構成される多孔質のマトリクスに、
フラーレン誘導体系のプロトン伝導体が充填させられる
ことにより構成されたイオン交換膜であり、固体膜をな
す。多孔質のマトリクスにプロトン伝導体を充填するこ
とによって構成するようにしたため、膜を生成すること
が困難なプロトン伝導体の場合にも、容易に固体膜とす
ることができる。プロトン伝導膜をフラーレン誘導体に
より形成すれば、膜の成膜性に優れるばかりか、プロト
ンの伝導に水分子の介在を必要としないため、加湿器等
が不要であり、更に、動作温度領域が−４０°Ｃ乃至１
６０°Ｃと広い等の利点がある。

【００２８】ＭＥＡ１２の上側即ち水素電極本体１２Ｃ
に面する側には、水素電極集電体１３が位置する。各セ
ルの水素電極集電体１３は、全て同一形状で、ステンレ
ス等の導電性金属よりなる。図１１に示されるように、
水素電極集電体１３は、複数の板状環状体１３Ａ、１３
Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅが同心円状に互いに半径方
向に離間して配列して構成され、直線状の繋ぎ部１３Ｆ
により、複数の板状環状体１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１
３Ｄ、１３Ｅを一体化することにより構成される。板状
環状体１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅによ
り、同心円状の流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、
１３ｅが画成される。また、最外周部に位置する板状環
状体１３Ｅの外周面からは、起電力を取出すためのリー
ド部１３Ｇが半径方向外方に突出して設けられる。リー
ド部１３Ｇは、外郭構造体１６の管状体１６Ａのリード
部挿通孔１６ｃから外郭構造体１６の外周側へ突出する
よう配置される。

【００２９】更に、直径方向互いに反対位置であって繋
ぎ部１３Ｆの延長線上には、半径方向外方に突出して蓋
部１３Ｈ、１３Ｉが設けられる。蓋部１３Ｈ、１３Ｉ
は、水素充填室１８、１９内の水素が水素通過口１８
ａ、１８ｂを通じて酸素電極集電体１１び酸素流路構造
体１５内の酸素と混合するのを阻止するために設けられ
る。蓋部１３Ｈ、１３Ｉは、管状体１６Ａの水素通過口
１６ｄを貫通して水素充填室１８、１９内に突出してシ
ール部１８Ｂ、１９Ｂにて側縁部が封止される。ここ
で、酸素電極集電体１１の複数の板状環状体１１Ａ、１
１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅと、水素電極１３の複数
の板状環状体１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ
とは互いに重なるように構成され、酸素電極集電体１１
の繋ぎ部１１Ｆと水素電極集電体１３の繋ぎ部１３Ｆと
は互いに重なるように構成され、酸素電極集電体１１の
リード部１１Ｇと水素電極集電体１３のリード部１３Ｈ
とが互いに重なるように構成される。

【００３０】図２に示されるように、最下の水素電極集
電体１３の上側には水素流路構造体１４が位置する。各
発電素子の間に設けられた水素流路構造体１４は、全て
同一形状である。図１２に示されるように水素流路構造
体１４は、複数の板状環状体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、
１４Ｄ、１４Ｅが同心円状に互いに半径方向に離間して
配列して構成され、直線状の繋ぎ部１４Ｆ、１４Ｇによ
り、複数の板状環状体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４
Ｄ、１４Ｅを一体化することにより構成される。板状環
状体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅにより、
同心円状の流路部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１
４ｅが画成される。また、水素電極集電体１３の蓋部１
３Ｈ、１３Ｉに対応する位置には、蓋部１３Ｈ、１３Ｉ
の外形形状と同一形状の一対の突出部１４Ｈ、１４Ｉが
設けられ、蓋部１３Ｈ、１３Ｉと同様に、管状体１６Ａ
の水素通過口１６ｄを貫通して水素充填室１８、１９内
に突出してシール部１８Ｂ、１９Ｂにて側縁部が封止さ
れる。突出部１４Ｈ、１４Ｉには、半径方向に延びる流
路部１４ｆ、１４ｇが、直線上に並んで形成されてお
り、これら流路部の入口端部と出口端部が、それぞれ水
素充填室１８、１９に開口している。水素流路構造体１
４の複数の板状環状体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４
Ｄ、１４Ｅは、水素電極１３の複数の板状環状体１３
Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅと重なるように構
成され、流路部１４ｆは水素電極集電体１３の繋ぎ部１
３Ｆと重なるように構成され、突出部１４Ｈ，１４Ｉは
水素電極集電体１３の蓋部１３Ｈ、１３Ｉと重なるよう
に構成される。

【００３１】最下の水素流路構造体１４の上側には、発
電素子９の水素電極集電体１３が配置される。よって水
素流路構造体１４は上下の水素電極１３、１３により挟
まれ、かつ突出部１４Ｈ、１４Ｉに形成されている流路
部１４ｆ、１４ｇは、上下の蓋部１３Ｈ、１３Ｉによっ
て封鎖されるので、流路部１４ｆ、１４ｇの開口端のみ
が水素充填室１８、１９に開口することとなる。なお、
水素流路構造体１４の繋ぎ部１４Ｆによる水素流路の遮
断は生じない。水素流路構造体１４の上下に配置された
水素電極１３の同心円状の流路１３ａ、１３ｂ、１３
ｃ、１３ｄ、１３ｅを介して、水素が繋ぎ部１４Ｆ、１
４Ｇを乗越えることができるからである。そして、発電
素子９においては、水素電極集電体１３の上に順にＭＥ
Ａ１２、酸素電極集電体１１が設けられ、酸素電極集電
体１１の上に酸素流路構造体１５が配置される。

【００３２】それぞれの発電素子の間に設けられた酸素
流路構造体１５は、全て同一形状である。図１３に示さ
れるように、酸素流路構造体１５は、薄肉の円板の両面
から複数の突起１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５
Ｅ（請求項６の酸素流路構造体の板状環状体に対応）が
同心円上に突出すると共に、所定円周角毎に分断された
構成であり、隣接する複数の突起間で円周方向空気流路
部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅと、複数の
半径方向空気流路部１５ｆとが画成される。そして各半
径方向空気流路部１５ｆの開口端は、管状体１６Ａに形
成された複数の貫通孔１６ａのみに連通している。ここ
で、酸素流路構造体１５は、発電素子９の酸素電極集電
体１１と、発電素子８の酸素電極集電体１１とによって
挟まれ、複数の同心配列突起１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、
１５Ｄ、１５Ｅは、隣接する酸素電極集電体１１の複数
の板状環状体１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ
と重なるように構成される。

【００３３】よって、発電素子３乃至１０において、全
ての酸素電極集電体１１、水素電極集電体１３、水素流
路構造体１４の板状環状体と酸素流路構造体１５の同心
配列突起は、水素流路構造体１４の流路部及び酸素流路
構造体１５の流路部を除き、積層方向に互いに重なって
配置される。これにより、押え板１７による押圧力が各
電極及び流路構造体の全面に均等に働くこととなる。換
言すれば、圧力によりそれぞれの板状環状体が、流路部
内にへたりこむという現象が防止でき、押え板１７によ
る押圧力によっても、各構成要素の形状安定性を保つこ
とが可能となる。

【００３４】このような構成により、燃料電池モジュー
ル１の発電中には、水素供給路１８Ａから供給された水
素ガスが、水素充填室１８、水素流路構造体１４の直線
状の流路部１４ｆを通じて、流路部１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ、１４ｄ、１４ｅへ至る。このとき、流路部１４
ｆ、１４ｇに侵入した水素は、蓋部１３Ｈ、１３Ｉやシ
ール部１８Ｂ、１９Ｂにより、酸素電極集電体１１や酸
素流路構成体１５内に混入することがない。さらに、水
素ガスは、流路部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１
４ｅを通じて、水素電極集電体１３に供給される。繋ぎ
部１４Ｆ、１４Ｇに衝突した水素ガスは、水素電極集電
体１３の板状環状体１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、
１３Ｅにより画成された流路部１３ａ、１３ｂ、１３
ｃ、１３ｄ、１３ｅへ流れ込み、再び流路部１４ａ、１
４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅを通過する。このように
して、流路部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ
を通じて、ＭＥＡ１２の水素電極本体１２Ｃに水素ガス
が供給される。

【００３５】水素ガスは水素電極本体１２Ｃによって水
素イオンとなり、プロトン伝導膜１２Ｂを通過して酸素
電極本体１２Ａ側に移動する。このとき水素は電子を放
出する。ここでイオン化されなかった水素ガスは、直線
状の流路部１４ｇ、水素充填室１９、水素排出路１９Ａ
を通じて排出される。

【００３６】化学反応に必要とされる酸素ガスは、外気
より取込まれる。具体的には、発電素子４、５、６、
７、８、９の酸素電極本体１２Ａは、酸素電極集電体１
１の流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、酸
素流路構造体１５の半径方向流路、貫通孔１６ａを通じ
て外気へ通じている。また、燃料電池スタック２の両端
側に位置する発電素子３、１０の酸素電極集電体１１
は、押え板１７に形成された貫通孔１７ａ及び底部１６
Ｂに形成された貫通孔１６ｂを通じて、外気に連通して
いる。外気に含まれる酸素と、上述のようにしてイオン
化され、プロトン伝導膜１２Ｂを通じて酸素電極本体１
２Ａへ達した水素イオンとが電気化学反応を起こし、水
素電極本体１２Ｃと酸素電極本体１２Ａの間に電位差が
生じ、この電位差を水素電極集電体１３と酸素電極集電
体１１を通じて取り出すことにより、所望の機器に電力
を供給する。

【００３７】本発明による燃料電池モジュールは上述し
た実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した
範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、本実施
の形態によるプロトン伝導膜は、フラーレン誘導体系プ
ロトン伝導体を多孔質基体に含浸させてイオン交換膜を
構成したが、このイオン交換膜に代えて、イオン交換膜
内部に極微量の白金超微粒子触媒とＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２
等の酸化物超微粒子とを高分散させた、いわゆる内部加
湿型固体高分子膜や、リン酸−ケイ酸塩（Ｐ_２Ｏ_５−Ｓ
ｉＯ_２）系ガラス等のプロトン伝導性無機化合物を添加
したポリマー膜を用いてもよい。これらを用いることに
より、本実施の形態によるプロトン伝導膜と同様に、加
湿器等によって燃料に水分を含ませることを不要とする
ことができる。

【００３８】又、プロトン伝導体と樹脂系バインダー等
とを混合し、フィルム状に成形することによって、イオ
ン交換膜を構成してもよく、又、他の公知の製造方法に
より製造したものを用いてもよい。

【００３９】又、プロトン伝導膜として、多孔質のマト
リクスにプロトン伝導体を充填させたものを用いたが、
これに限定されず、プロトン伝導性があり、且つ粉状等
をした燃料源を所望の位置に収容できる固体膜であれば
よい。

【００４０】又、本実施の形態では、無加湿状態でプロ
トン伝導可能なイオン交換膜を構成するプロトン伝導体
に、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）を用
いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ポリ
水酸化フラーレンは、図１４に示したようなフラーレン
分子を母体とし、その構成炭素原子に水酸基を導入した
ものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭
素を主成分とする炭素質材料であればよい。この炭素質
材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わ
ず、数個から数百個結合して形成されている集合体であ
る炭素クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボン
ナノチューブ）が含まれていてよい。前者の炭素クラス
ターには、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長
球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の
炭素クラスター（図１５）や、それらの球構造の一部が
欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター（図１
６）、大部分の炭素原子がｓｐ^３結合したダイヤモンド
構造を持つ炭素クラスター（図１７）、さらにはこれら
のクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスター
（図１８）が含まれていてよい。

【００４１】またこの種の母体に導入する基としては水
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及び
Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団で
あり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的に
は、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ_３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他にスルホン基−ＳＯ
_３Ｈ、リン酸基−ＯＰＯ（ＯＨ）_２のいずれかであるこ
とが好ましい。上記のいずれの変形例によっても、プロ
トンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果に
は変わりはない。

【００４２】

【発明の効果】請求項１記載の燃料電池モジュールによ
れば、外郭構造体をなす管状体の一端開口部内周面に雌
ネジが形成され、他端には管状体と一体の底部が設けら
れて、発電素子の一端面を底部に面して管状体の内部に
配置し、押え板の周面に雌ネジと螺合する雄ネジが形成
され、螺合によって押え板の主要面全体が発電素子の他
端面全体を当接押圧するので、外形寸法を増大させるこ
となく、またセルの発電能力の低下を来すことなく、セ
ルの面全体に対して均一な加圧力を作用させてＭＥＡと
電極集電体との良好な密着性を維持することができる。

【００４３】請求項２記載の燃料電池モジュールによれ
ば、酸素電極集電体と水素電極集電体とは円形をなすと
共に、それぞれ、複数の板状環状体が同心円状に互いに
半径方向に離間して配列して構成され、酸素電極集電体
と、水素電極集電体との複数の板状環状体は、積層方向
に互いに重なって配置されるので、板状環状体の変形の
ための逃げ部がなく、酸素電極集電体及び水素電極集電
体の全面に均一な加圧力を作用させて、ＭＥＡと電極集
電体との密着を良好にさせることができる。

【００４４】請求項３記載の燃料電池モジュールによれ
ば、請求項１による燃料電池モジュールの効果に加え
て、燃料電池スタックは、少なくとも２個の発電素子を
有し、この少なくとも２個の発電素子は、水素電極集電
体同士が対向するよう配置され、対向する水素電極集電
体の間には水素流路構造体が配置されているので、２つ
の水素電極集電体に対して１つの水素流路構造体で水素
を確実に供給することが可能となり、燃料電池モジュー
ルを小型化することができる。

【００４５】請求項４記載の燃料電池モジュールによれ
ば、請求項２記載の燃料電池モジュールと同様に、酸素
電極集電体、水素電極集電体、水素流路構造体の全面に
均一な加圧力を作用させて、ＭＥＡと電極集電体との密
着を良好にさせることができる。

【００４６】請求項５記載の燃料電池モジュールによれ
ば、少なくとも２個の発電素子は、酸素電極集電体同士
が対向するよう配置され、対向する酸素電極集電体の間
には酸素流路構造体が配置され、外郭構造体の周面には
外郭構造体の半径方向に指向する貫通孔が形成されてい
るので、２つの酸素電極に対して１つの酸素流路構造体
で酸素を確実に供給することが可能となり、燃料電池モ
ジュールを小型化することができる。

【００４７】請求項６記載の燃料電池モジュールによれ
ば、酸素流路構造体は、円形をなすと共に、それぞれ複
数の板状環状体が同心円状に互いに半径方向に離間して
配列して構成され、酸素流路構造体の複数の板状環状体
は、流路部を除き、酸素電極集電体と、水素電極集電体
と、水素流路構造体の板状環状体と積層方向に重なって
配置されるので、酸素電極集電体、水素電極集電体、水
素流路構造体、酸素流路構造体の全面に均一な加圧力を
作用させて、伝導体膜と電極との密着を良好にさせるこ
とができる。

【００４８】請求項７記載の燃料電池モジュールによれ
ば、燃料電池スタックは、発電素子を偶数個積層方向に
配列してなり、発電素子は互いに酸素電極集電体同士ま
たは水素電極集電体同士が対向するよう配列され、押え
板は酸素電極集電体に面当接し、押え板には酸素電極集
電体に外気を供給するための貫通孔が形成され、底部は
酸素電極に面当接し、底部には酸素電極集電体に外気を
供給するための貫通孔が形成されているので、燃料電池
スタックの積層方向両端側には酸素流路構造体を設ける
必要がなく、燃料電池モジュールを小型化することがで
きる。

【００４９】請求項８記載の燃料電池モジュールによれ
ば、底部の周縁部には、貫通孔が形成された部分よりも
積層方向に突出する凸部が形成されているので、凸部の
底面が外部部材に当接しても貫通孔が塞がれず、底部に
面する酸素電極に確実に酸素を供給することができる。

【００５０】請求項９記載の燃料電池モジュールによれ
ば、押え板の主要面は、その中央部が発電素子側に突出
する球形の一部の形状をなすので、押え板の外郭構造体
に螺合する外周縁付近からの圧力が過大となり押え板中
央部における圧力が小さくなるという不具合が回避さ
れ、燃料電池スタックの全面をより均一に押圧すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
を示す図４のＩ−Ｉ線に沿った断面図。

【図２】複数の発電素子を示す図１の水素供給路付近の
部分拡大図。

【図３】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
を示す図５のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。

【図４】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
を示す正面図。

【図５】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
を示す側面図。

【図６】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
を示す底面図。

【図７】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
の押え板を示す正面図。

【図８】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
の押え板を示す図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断
面図。

【図９】本発明の実施の形態による燃料電池モジュール
の酸素電極集電体を示す正面図。

【図１０】本発明の実施の形態による燃料電池モジュー
ルのＭＥＡを示す斜視図。

【図１１】本発明の実施の形態による燃料電池モジュー
ルの水素電極集電体を示す正面図。

【図１２】本発明の実施の形態による燃料電池モジュー
ルの水素流路構造体を示す正面図。

【図１３】本発明の実施の形態による燃料電池モジュー
ルの酸素流路構造体を示す正面図。

【図１４】本発明の実施の形態による燃料電池モジュー
ルのプロトン伝導膜を構成するフラーレンを示す分子構
造図。

【図１５】本発明の燃料電池モジュールの変形例に用い
られるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、又は
これらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラ
スターを示す分子構造図。

【図１６】本発明の燃料電池モジュールの変形例に用い
られるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が欠損
し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す分子
構造図。

【図１７】本発明の燃料電池モジュールの変形例に用い
られるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原子が
ｓｐ^３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスター
を示す分子構造図。

【図１８】本発明の燃料電池モジュールの変形例に用い
られるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスターど
うしが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構造
図。

【符号の説明】

１燃料電池モジュール２燃料電池スタック３、４、５、６、７、８、９、１０発電素子１１酸素電極集電体１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ板状環状
体１２ＭＥＡ１２Ａ酸素電極本体１２Ｂプロトン伝導膜１３Ｃ水素電極本体１３水素電極集電体１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ板状環状体１４水素流路構造体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ板状環状体１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１
４ｇ水素流路部１５酸素流路構造体１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ板状環状体
たる同心配列突起１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ空
気流路部１６外郭構造体１６Ａ管状体１６Ｂ底部１６Ｃ雌ネジ１６Ｄ凸部１７押え板１７Ａ周面１７Ｂ主要面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村亨弘東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CC03 CC10 CV01 CX09 CX10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素電極集電体と、該酸素電極集電体に
面当接し、酸素電極本体とプロトン伝導体と水素電極本
体とが一体化されたＭＥＡと、該ＭＥＡに面当接する水
素電極集電体とにより積層構造をなす発電素子を少なく
とも１個有する燃料電池モジュールにおいて、該少なくとも１個の発電素子を収容するために積層方向
に延びる外郭構造体と、該少なくとも１個の発電素子を
加圧するための円盤状の押え板が設けられ、該外郭構造体は管状体をなし、その一端は開口して開口
部内周面に雌ネジが形成され、他端には該管状体と一体
の底部が設けられて該少なくとも１個の発電素子の一端
面は該底部に面して該管状体の内部に配置され、該押え板は主要面と周面とを有し、該周面には該雌ネジ
と螺合する雄ネジが形成され、螺合によって該主要面全
体が該少なくとも１個の発電素子の他端面全体を当接押
圧することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】該酸素電極集電体と該水素電極集電体と
は円形をなすと共に、それぞれ、複数の板状環状体が同
心円状に互いに半径方向に離間して配列して構成され、該酸素電極集電体と該水素電極集電体との複数の板状環
状体は、積層方向に互いに重なって配置されることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】酸素電極集電体と、該酸素電極集電体に
面当接し、酸素電極本体とプロトン伝導体と水素電極本
体とが一体化されたＭＥＡと、該ＭＥＡに面当接する水
素電極集電体とにより積層構造をなす発電素子を、少な
くとも２個積層方向に配列してなる燃料電池スタックを
有する燃料電池モジュールにおいて、該少なくとも２個の発電素子は、該水素電極集電体同士
が対向するよう配置され、該対向する水素電極集電体の間には水素流路構造体が配
置され、該燃料電池スタックを収容するために積層方向に延びる
外郭構造体と、該燃料電池スタックを加圧するための円
盤状の押え板が設けられ、該外郭構造体は管状体をなし、その一端は開口して開口
部内周面に雌ネジが形成され、他端には該管状体と一体
の底部が設けられて該燃料電池スタックの一端面は該底
部に面して該管状体の内部に配置され、該押え板は主要面と周面とを有し、該周面には該雌ネジ
と螺合する雄ネジが形成され、螺合によって該主要面全
体が該燃料電池スタックの他端面全体を当接押圧するこ
とを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】該水素流路構造体には流路部が規定さ
れ、該酸素電極集電体と、該水素電極集電体と、該水素流路
構造体とは、円形をなすと共に、それぞれ、複数の板状
環状体が同心円状に互いに半径方向に離間して配列して
構成され、該酸素電極集電体と該水素電極集電体と該水素流路構造
体との複数の板状環状体は、該流路部を除き、積層方向
に互いに重なって配置されることを特徴とする請求項３
記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】該燃料電池スタックは、該発電素子を少
なくとも３個該積層方向に配列してなり、該少なくとも３個の発電素子のうち、少なくとも２個の
該発電素子は、酸素電極集電体同士が対向するよう配置
され、該対向する酸素電極集電体の間には酸素流路構造体が配
置され、該外郭構造体の周面には、該酸素流路構造体に外気を導
入するための該外郭構造体の半径方向に指向する貫通孔
が形成されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池
モジュール。
【請求項６】該酸素流路構造体には流路部が規定さ
れ、該酸素流路構造体は、円形をなすと共に、それぞれ複数
の板状環状体が同心円状に互いに半径方向に離間して配
列して構成され、該酸素流路構造体の複数の板状環状体は、該流路部を除
き、該酸素電極集電体と、該水素電極集電体と、該水素
流路構造体の板状環状体と積層方向に重なって配置され
ることを特徴とする請求項５記載の燃料電池モジュー
ル。
【請求項７】該燃料電池スタックは、該発電素子を偶
数個該積層方向に配列してなり、該発電素子は互いに該酸素電極集電体同士及び該水素電
極集電体同士が対向するよう配列され、該押え板は該酸素電極集電体に面当接し、該押え板に
は、酸素電極集電体に外気を供給するための該積層方向
に指向する複数の貫通孔が形成され、該底部も該酸素電極集電体に面当接し、該底部には酸素
電極集電体に外気を供給するための該積層方向に指向す
る複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求
項６記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】該底部の周縁部には、該貫通孔が形成さ
れた部分よりも該積層方向に突出する凸部が形成された
ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】該押え板の該主要面は、その中央部が該
発電素子側に突出する球形の一部形状をなすことを特徴
とする請求項１乃至８記載の燃料電池モジュール。