JP2003249242A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Abstract

(57)【要約】 【課題】セパレータを薄肉化するとともに、皿ばね等を
不要にして容易に小型化および軽量化を図ることを可能
にする。 【解決手段】第1および第2セパレータ116、118
は、第1および第2金属製プレート120、122を備
える。第1金属製プレート120は、電解質膜・電極構
造体114側に突出して酸化剤ガス流路138を形成す
るための複数の第1エンボス部136を設けるととも
に、第2金属製プレート122は、電解質膜・電極構造
体114側に突出して燃料ガス流路144を形成するた
めの複数の第2エンボス部140と、前記第1金属製プ
レート120側に突出する複数の小径な第3エンボス部
142とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質の両側にそ
れぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質
・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃
料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、固体高分子型燃料電池(PEF
C)は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からな
る電解質膜(電解質)を採用している。この燃料電池
は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カー
ボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対
設して構成される電解質膜・電極接合体(電解質・電極
接合体)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持
することにより構成されている。通常、この燃料電池を
所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されてい
る。
【0003】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有する
ガス(以下、水素含有ガスともいう)は、触媒電極上で
水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極
側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り
出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、
カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を
含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともい
う)が供給されているために、このカソード側電極にお
いて、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成
される。
【0004】上記の燃料電池では、例えば、図7に示す
ように、車両を構成する車体等の取り付け部1に対し
て、燃料電池スタック10として搭載されている。この
燃料電池スタック10は、複数個の単位セル(燃料電
池)12が互いに電気的に直列接続されるとともに、前
記単位セル12が、図7中、左右方向(矢印A方向)に
積層された積層体13を備えている。
【0005】単位セル12は、アノード側電極14とカ
ソード側電極16との間に電解質層18が介装されるこ
とにより構成された電解質膜・電極構造体20と、前記
電解質膜・電極構造体20を挟持する一対のセパレータ
22a、22bとを備えている。セパレータ22a、2
2bには、それぞれアノード側電極14に対向する面
に、前記アノード側電極14に燃料ガス(例えば、水素
含有ガス)を供給・排出するための第1反応ガス流路2
4が設けられる一方、それぞれカソード側電極16に対
向する面に、前記カソード側電極16に酸化剤ガス(例
えば、空気等の酸素含有ガス)を供給・排出するための
第2反応ガス流路26が設けられている。
【0006】積層体13の積層方向両端に位置する単位
セル12には、集電体34a、34bがそれぞれ電気的
に接続される。集電体34a、34bの外側には、漏電
防止用の絶縁プレート36a、36bを介してエンドプ
レート(加圧板)38a、38bがそれぞれ配置され、
各エンドプレート38a、38bの外側には、バックア
ッププレート(加圧補助板)40a、40bがそれぞれ
配置されることにより、燃料電池スタック10が構成さ
れている。
【0007】エンドプレート38aとバックアッププレ
ート40aとの間には、単位セル12同士の電気的な接
触を維持するための複数個のばね部材、例えば、皿ばね
42が介装されている。
【0008】燃料電池スタック10の周縁部には、一方
のバックアッププレート40aから他方のバックアップ
プレート40bに至るまで延在する複数個の貫通孔44
が形成されている。これらの貫通孔44にはそれぞれタ
イロッド46が通されており、前記タイロッド46にナ
ット48が螺合される。これにより、両バックアッププ
レート40a、40bが緊締されることに伴って、積層
体13、集電体34a、34bおよびエンドプレート3
8a、38bが加圧保持される一方、皿ばね42が圧縮
される。
【0009】ここで、燃料電池スタック10は、エンド
プレート38a、バックアッププレート40bにそれぞ
れ連結されたマウント用ブラケット50、52を介して
取り付け部1に搭載されている。マウント用ブラケット
52は、ボルト54で取り付け部1に連結されることに
よって位置決め固定されており、一方、マウント用ブラ
ケット50は、取り付け部1に対して積層方向に摺動自
在である。
【0010】すなわち、マウント用ブラケット50の下
端部に突出形成されたアーム部56には、段部58を有
する長円状溝60が設けられている。この長円状溝60
に挿入されたボルト62は、その頭部を介して段部58
の底面を適切な力で押圧することにより、マウント用ブ
ラケット50が取り付け部1に対して摺動自在に連結さ
れる。
【0011】以上の構成において、燃料電池スタック1
0を運転中に、積層体13が熱膨張により積層方向に沿
って寸法変化を起こすと、その熱膨張量に応じて皿ばね
42が縮小する。また、運転が停止されて燃料電池スタ
ック10の温度が下降すると、積層体13が収縮すると
ともに皿ばね42が伸張する。このように、積層体13
が熱膨張または収縮することに追従して皿ばね42が縮
小または伸張することにより、積層体13に対する締め
付け力が略均等に維持される。
【0012】さらに、電解質層18は、電気化学変化で
生成した水分の吸収・放出や供給される燃料ガスおよび
酸化剤ガスの湿度により、積層体13の積層方向に沿っ
て膨張・収縮する。加えて、電解質膜・電極構造体20
は、燃料電池スタック10の運転・停止に伴う度重なる
温度変化によって寸法が若干縮小する、いわゆる、へた
りを生じ易い。このへたりは、電解質膜・電極構造体2
0を保持するシール部材(図示せず)や、セパレータ2
2a、22b等においても同様に発生する。
【0013】燃料電池スタック10は、電解質層18、
シール部材、セパレータ22a、22b等に上記のよう
な寸法変化が生じた際にも、積層方向に沿って寸法変化
を起こす。その際、同様に皿ばね42が縮小または伸張
することによって、積層体13に対する加圧保持力を略
一定に保つことができる。
【0014】なお、燃料電池スタック10が寸法変化を
起こして皿ばね42が縮小または伸張する際には、マウ
ント用ブラケット50が、長円状溝60とボルト62と
の案内作用下に取り付け部1に対して積層方向に摺動す
る。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように構成される燃料電池スタック10では、一方のマ
ウント用ブラケット50が取り付け部1に対して積層方
向に摺動自在に連結されている。このため、燃料電池ス
タック10は、積層方向に比較的大きな設置スペースを
有してしまう。さらに、セパレータ22a、22bは、
通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボ
ン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという
不具合がある。しかも、エンドプレート38aとバック
アッププレート40aとの間には、複数個の皿ばね42
が介装されており、この皿ばね42の積層方向に比較的
大きな寸法を有している。
【0016】これにより、燃料電池スタック10は、積
層方向の寸法が相当に長尺化してしまい、前記燃料電池
スタック10全体の小型化および軽量化を図ることがで
きないという問題が指摘されている。
【0017】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、セパレータを薄肉化するとともに、皿ばねを不要に
して容易に小型化および軽量化を図ることが可能な燃料
電池を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
燃料電池では、電解質・電極接合体を挟持する少なくと
も一方のセパレータが、少なくとも第1および第2金属
製プレートを備えており、前記第1金属製プレートは、
第1の電解質・電極接合体側に突出して前記第1の電解
質・電極接合体との間に、一方の反応ガス流路を形成す
るための複数の第1突起部(例えば、エンボス部)を設
けている。
【0019】さらに、第2金属製プレートは、第1金属
製プレートの第1突起部に対応する位置にかつ前記第1
突起部とは反対側に突出し、第2の電解質・電極接合体
との間に、他方の反応ガス流路を形成するための複数の
第2突起部(例えば、エンボス部)と、前記第1金属製
プレートの平面部分に対応し、かつ前記第2突起部とは
反対側に突出する複数の第3突起部(例えば、エンボス
部)とを設けている。
【0020】このように、第1および第2金属製プレー
トは、第1および第2突起部が電解質・電極接合体に当
接するため、それぞれの平面部分が前記電解質・電極接
合体から離間して配置されるとともに、前記第2金属製
プレートの第3突起部が、前記第1金属製プレートの平
面部分に当接している。従って、第3突起部を介して第
1および第2金属製プレートの平面部分にばね機能部を
設けることができる。
【0021】これにより、例えば、燃料電池スタック全
体の締め付け力を略均等に維持するために、前記燃料電
池スタックの積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要が
なく、また、燃料電池スタック内に専用の板ばねを組み
込む必要がない。しかも、金属製プレートを使用するた
めに、従来のカーボン系材料で形成されたセパレータに
比べて、有効に薄肉化することができる。このため、燃
料電池全体の小型化および軽量化を容易に図ることが可
能になる。
【0022】ここで、第1および第2金属製プレートは
互いに積層されており、これらの間に、例えば、冷却媒
体流路が必要に応じて設けられている。第1金属製プレ
ートが第1の電解質・電極接合体の一方の面側に配設さ
れ、第1突起部を介して一方の反応ガス流路が形成され
るとともに、第2金属製プレートが第2の電解質・電極
接合体の他方の面側に配設され、第2突起部を介して他
方の反応ガス流路が形成されている。
【0023】そして、上記のように複数の第1および第
2金属製プレートと電解質・電極接合体とが積層される
ことにより、具体的には、前記第1および第2金属製プ
レートで前記電解質・電極接合体を挟持した単位セル
が、複数組だけ積層されることにより、燃料電池スタッ
クが構成されている。
【0024】また、本発明の請求項2に係る燃料電池で
は、一方の反応ガス流路が、カソード側電極に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤ガス流路であるとともに、他方の反
応ガス流路が、アノード側電極に燃料ガスを供給する燃
料ガス流路であり、第2金属製プレートの第3突起部
が、前記燃料ガス流路側から第1金属製プレート側に突
出している。
【0025】従って、燃料ガス流路側に第3突起部の凹
部が形成されており、酸化剤ガス流路側には、この第3
突起部の凹部が存在することはない。これにより、酸化
剤ガス流路側に発生する生成水が滞留することがなく、
良好な排水性を確保することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態に係る
燃料電池が積層された燃料電池スタック100の概略全
体斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック100
の一部断面側面図である。
【0027】燃料電池スタック100は、複数の燃料電
池(単位セル)102が矢印A方向に積層された積層体
104を備え、前記積層体104の積層方向(矢印A方
向)両端には、正極側集電体105aおよび負極側集電
体105bとエンドプレート106a、106bとが絶
縁プレート107a、107bを介装して配設される。
【0028】図2に示すように、エンドプレート106
a、106bは、締め付け機構であるタイロッド108
によって一体的に締め付けられるとともに、前記エンド
プレート106a、106bに固着されたマウント用ブ
ラケット110a、110bを介して、燃料電池スタッ
ク100が取り付け部112に搭載されている。両マウ
ント用ブラケット110a、110bは、いずれも取り
付け部112に対して摺動することのないように、ボル
ト113を介して堅牢に位置決め固定されている。
【0029】図3および図4に示すように、各燃料電池
102は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極接合
体)114と、前記電解質膜・電極構造体114を挟持
する第1および第2セパレータ116、118とを備え
る。第1および第2セパレータ116、118は、それ
ぞれ第1および第2金属製プレート120、122によ
り構成されている。なお、第1または第2セパレータ1
16、118のいずれか一方が、第1および第2金属製
プレート120、122を備え、他方が単一の金属製プ
レートにより構成されていてもよい。
【0030】図3に示すように、電解質膜・電極構造体
114と第1および第2セパレータ116、118の長
辺(矢印B方向)側の一端縁部には、矢印A方向に互い
に連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給
するための酸化剤ガス供給連通孔124a、冷却媒体を
供給するための冷却媒体供給連通孔126a、および燃
料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガ
ス排出連通孔128bが設けられる。
【0031】電解質膜・電極構造体114と第1および
第2セパレータ116、118の長辺側の他端縁部に
は、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する
ための燃料ガス供給連通孔128a、冷却媒体を排出す
るための冷却媒体排出連通孔126b、および酸化剤ガ
スを排出するための酸化剤ガス排出連通孔124bが設
けられる。
【0032】電解質膜・電極構造体114は、例えば、
パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固
体高分子電解質膜(電解質)130と、該固体高分子電
解質膜130を挟持するアノード側電極132およびカ
ソード側電極134とを備える。アノード側電極132
およびカソード側電極134は、カーボンペーパー等か
らなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔
質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布さ
れてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【0033】図3乃至図6に示すように、第1金属製プ
レート120は、電解質膜・電極構造体114に対向す
る面120a側に突出する複数の第1エンボス部(第1
突起部)136を備えている。第1エンボス部136が
電解質膜・電極構造体114を構成するカソード側電極
134に当接することによって、第1金属製プレート1
20と前記カソード側電極134との間に、酸化剤ガス
流路(反応ガス流路)138が設けられる。この酸化剤
ガス流路138は、酸化剤ガス供給連通孔124aと酸
化剤ガス排出連通孔124bとに連通する。
【0034】第2金属製プレート122は、別の電解質
膜・電極構造体114に対向する面122a側に突出す
る複数の第2エンボス部(第2突起部)140を設ける
とともに、第1金属製プレート120に対向する面12
2b側に突出する複数の小径な第3エンボス部(第3突
起部)142を設けている。
【0035】図4乃至図6に示すように、第2エンボス
部140は、第1金属製プレート120の第1エンボス
部136に対応する位置で、かつ前記第1エンボス部1
36とは反対側に突出して設けられる。この第2エンボ
ス部140は、電解質膜・電極構造体114を構成する
アノード側電極132に当接し、前記アノード側電極1
32と第2金属製プレート122との間に燃料ガス流路
(反応ガス流路)144が形成される(図4および図6
参照)。この燃料ガス流路144は、燃料ガス供給連通
孔128aと燃料ガス排出連通孔128bとに連通して
いる(図3参照)。
【0036】第3エンボス部142は、各第2エンボス
部140の前後左右の中心に対応し、かつ第1金属製プ
レート120の面120bに対応して配置されている
(図5および図6参照)。第1および第2金属製プレー
ト120、122の平面部分は、第1および第2エンボ
ス部136、140を介して電解質膜・電極接合体11
4から離間しており、それぞれの平面部分には、第3エ
ンボス部142を介してばね機能部145が設けられる
(図6参照)。
【0037】第1および第2金属製プレート120、1
22間には、必要に応じて冷却媒体流路146が形成さ
れる。この冷却媒体流路146は、冷却媒体供給連通孔
126aと冷却媒体排出連通孔126bとに連通してい
る(図3参照)。
【0038】図1に示すように、エンドプレート106
aの長辺側(矢印B方向)の一端縁部には、酸化剤ガス
供給連通孔124a、冷却媒体供給連通孔126aおよ
び燃料ガス排出連通孔128bに連通する酸化剤ガス供
給口148a、冷却媒体供給口150aおよび燃料ガス
排出口152bが設けられる。エンドプレート106a
の長辺(矢印B方向)側の他端縁部には、燃料ガス供給
連通孔128a、冷却媒体排出連通孔126bおよび酸
化剤ガス排出連通孔124bに連通する燃料ガス供給口
152a、冷却媒排出口150bおよび酸化剤ガス排出
口148bが設けられる。
【0039】このように構成される燃料電池スタック1
00の動作について、以下に説明する。
【0040】燃料電池スタック100を運転する際に
は、エンドプレート106aの酸化剤ガス供給口148
aから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるととも
に、燃料ガス供給口152aから水素含有ガス等の燃料
ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口150aか
ら純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供
給される。このため、燃料電池スタック100では、矢
印A方向に重ね合わされた複数組の燃料電池102に対
し、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が供給される
ことになる。
【0041】図3に示すように、矢印A方向に連通して
いる酸化剤ガス供給連通孔124aに供給された酸化剤
ガスは、第1セパレータ116を構成する第1金属製プ
レート120に設けられている酸化剤ガス流路138に
導入され、電解質膜・電極構造体114を構成するカソ
ード側電極134に沿って移動する。一方、燃料ガス
は、燃料ガス供給連通孔128aから第2セパレータ1
18を構成する第2金属製プレート122の燃料ガス流
路144に導入され、電解質膜・電極構造体114を構
成するアノード側電極132に沿って移動する。
【0042】従って、電解質膜・電極構造体114で
は、カソード側電極134に供給される酸化剤ガスと、
アノード側電極132に供給される燃料ガスとが、電極
触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われ
る。
【0043】次いで、カソード側電極134に供給され
て消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔12
4bに排出されて矢印A方向に流動した後、エンドプレ
ート106aの酸化剤ガス排出口148bから排出され
る。同様に、アノード側電極132に供給されて消費さ
れた燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔128bに排出さ
れて矢印A方向に流動した後、エンドプレート106a
の燃料ガス排出口152bから排出される。
【0044】一方、冷却媒体供給連通孔126aに供給
された冷却媒体は、第1および第2金属製プレート12
0、122間に形成されている冷却媒体流路146に導
入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体11
4を冷却した後、冷却媒体排出連通孔126bを経て、
エンドプレート106aの冷却媒体排出口150bから
排出される。
【0045】この場合、本実施形態では、第1および第
2セパレータ116、118が第1および第2金属製プ
レート120、122を備えており、各燃料電池102
が、実質的には、前記第1および第2金属製プレート1
20、122と電解質膜・電極構造体114とで構成さ
れている。そして、第1および第2金属製プレート12
0、122間に冷却媒体流路146が形成されるととも
に、前記第1および第2金属製プレート120、122
の第1および第2エンボス部136、140が、電解質
膜・電極構造体114の両面に当接することにより、前
記電解質膜・電極構造体114の両面側に酸化剤ガス流
路138および燃料ガス流路144が形成されている。
【0046】従って、第1および第2金属製プレート1
20、122で電解質膜・電極構造体114を挟持する
だけで、燃料電池102を構成することができ、この燃
料電池102の小型化および簡素化が容易に遂行可能に
なる。
【0047】さらに、第3エンボス部142が、第1金
属製プレート120の面120bに対応して配置される
ことにより、第1および第2金属製プレート120、1
22の平面部分には、前記第3エンボス部142を介し
てばね機能部145が設けられている(図6参照)。こ
のため、燃料電池スタック100に積層方向(矢印A方
向)に沿って熱膨張が惹起されても、ばね機能部145
が弾性変形して前記燃料電池スタック100全体の締め
付け力を有効に保持することが可能になる。
【0048】これにより、例えば、燃料電池スタック1
00の積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、
また、前記燃料電池スタック100内に専用の板ばねを
組み込む必要がない。従って、燃料電池スタック100
全体の小型化および軽量化を容易に図ることができ、特
に積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になる
という効果が得られる。
【0049】なお、第1および第2金属製プレート12
0、122に設けられる第1乃至第3エンボス部13
6、140および142の配置状態は、本実施形態に限
定されるものではなく、種々変更可能である。
【0050】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池では、第1および
第2金属製プレートのそれぞれの平面部分が、電解質・
電極接合体から離間して配置されるとともに、前記第2
金属製プレートの第3突起部が、前記第1金属製プレー
トの平面部分に当接している。従って、第3突起部を介
して第1および第2金属製プレートの平面部分にばね機
能部を設けることができる。
【0051】これにより、例えば、燃料電池スタックの
積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、
前記燃料電池スタック内に専用の板ばねを組み込む必要
がない。しかも、金属製プレートを使用するために、従
来のカーボン系材料で形成されたセパレータに比べて容
易に薄肉化される。このため、燃料電池全体の小型化お
よび軽量化を容易に図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池が積層された
燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図2】前記燃料電池スタックの一部断面側面図であ
る。
【図3】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要
部分解斜視説明図である。
【図4】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図5】前記燃料電池の一部分解斜視説明図である。
【図6】図5に示す燃料電池のVI−VI線断面図であ
る。
【図7】従来技術に係る燃料電池スタックの一部断面説
明図である。
【符号の説明】
100…燃料電池スタック 102…燃料電
池 104…積層体 106a、10
6b…エンドプレート 114…電解質膜・電極構造体 116、118
…セパレータ 120、122…金属製プレート 124a…酸化
剤ガス供給連通孔 124b…酸化剤ガス排出連通孔 126a…冷却
媒体供給連通孔 126b…冷却媒体排出連通孔 128a…燃料
ガス供給連通孔 128b…燃料ガス排出連通孔 130…固体高
分子電解質膜 132…アノード側電極 134…カソー
ド側電極 136、140、142…エンボス部 138…酸化剤
ガス流路 144…燃料ガス流路 145…ばね機
能部 146…冷却媒体流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 征治 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 小田 優 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解
    質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する
    一対のセパレータとを設けた燃料電池であって、 少なくとも一方のセパレータは、少なくとも第1および
    第2金属製プレートを備え、 前記第1金属製プレートは、第1の電解質・電極接合体
    側に突出して前記第1の電解質・電極接合体との間に一
    方の反応ガス流路を形成するための複数の第1突起部を
    設けるとともに、 前記第2金属製プレートは、前記第1金属製プレートの
    前記第1突起部に対応する位置にかつ該第1突起部とは
    反対側に突出し、第2の電解質・電極接合体との間に他
    方の反応ガス流路を形成するための複数の第2突起部
    と、 前記第1金属製プレートの平面部分に対応し、かつ前記
    第2突起部とは反対側に突出する複数の第3突起部と、 を設けることを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】請求項1記載の燃料電池において、前記一
    方の反応ガス流路は、カソード側電極に酸化剤ガスを供
    給する酸化剤ガス流路であるとともに、 前記他方の反応ガス流路は、アノード側電極に燃料ガス
    を供給する燃料ガス流路であり、 前記第2金属製プレートの前記第3突起部は、前記燃料
    ガス流路側から前記第1金属製プレート側に突出するこ
    とを特徴とする燃料電池。
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