JP2004327105A - Fuel cell and method for designing same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池の設計方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガス(燃料ガス)と空気に含まれる酸素(酸化剤ガス)を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【0003】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びPDAなどの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【0004】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば上記の用途に有望である。また、複数の発電セルとセパレータを交互に積層することにより構成するスタックセル型の燃料電池も提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池を用いた発電システムでは、図15に示すように、電解質1と集電体2,3を組み合わせた接合体4を外側から筐体5,6で包み込んでパッケージ化した燃料電池を用いているものがある。このようなパッケージでは、筐体5,6内部に配置される接合体4や燃料流路板7、空気流路板8等の部材が分離しないように、筐体5,6をボルト9によって締結している。しかし、筐体5,6を締結することができる位置は接合体4が配置された領域外に限定され、筐体5,6の外周近辺でのみ締結を行うことになる。
【0006】
一方、接合体4での発電は、燃料流路板7に形成された燃料流路12から集電体2が燃料を受け取り、空気流路板8に形成された空気流路13から集電体3が空気を受け取ることで行われる。一般に集電体2,3の電解質1と接触する面にはそれぞれ触媒層10,11が形成されており、触媒層10,11と電解質1の接触部分で発電反応が起きる。しかし、触媒層10,11と電解質1の界面は微小な凹凸が存在し、微視的には図16に示すように触媒層10,11と電解質1とが現実に接触している面積(真実接触面積14)が存在する。
【0007】
筐体5,6の外周近辺でのみ締結を行った場合には、電解質1と触媒層10,11との界面に働く応力は、締結部分に近い部分に強くはたらき、締結部分から離れるに従って緩和される分布になっていると推測され、電解質1の周縁部は触媒層10,11と強く接触し、接合体4の面中心に向かって応力が緩和してゆくことになる。つまり電解質1と触媒層10,11の界面の密着性が面全体で均一ではないと考えられ、触媒反応の効率が悪化したり電気抵抗が悪化して、燃料電池全体での発電効率が悪化する原因であると考えられる。
【0008】
したがって本願発明は、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させて発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池と、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させる燃料電池の設計方法を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体と、前記筐体と前記接合体との間に配置されて前記締結部からの圧力を分散させて前記接合体に伝えるスペーサとを有することを特徴とする。
【0010】
締結部に加えられた圧力をスペーサによって分散して接合体に伝えることにより、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【0011】
発電効率をより向上させるためには、スペーサによって接合体に伝えられる圧力が接合体に略均一に加えられることが望ましい。また、燃料電極集電体および酸素電極集電体の電解質に接する面に触媒層が形成し、集電体と電解質との界面に触媒層を存在させることも重要である。
【0012】
スペーサは、筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、接合体に圧力を加える加圧部と、受圧部と加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有するとし、受圧部が他の部材と接触する面の面積より、加圧部が他の部材と接触する面の面積を大きくすることや、加圧部が接合体の略全面に接触することによって、スペーサが圧力の分散を図ることができる。また、スペーサは平板に開口部が複数形成された網目形状とすることや、スペーサを屈曲した板状で面の中央部分が接合体に対して凸に湾曲させることによっても、スペーサが圧力の分散を図ることができる。
【0013】
スペーサを接合体に隣接して配置することで、接合体に加わる圧力を効率的にスペーサが分散することができる。このとき、スペーサを多孔質材料により形成することで、多孔質材料の孔部を介して接合体への燃料や酸素の供給を行うことが可能である。また、スペーサと接合体とを接着するための接着層を、スペーサと接合体との間に設けるとしてもよい。
【0014】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体とを有し、前記燃料電極集電体または前記酸素電極集電体が前記締結部からの圧力を分散して、前記燃料電極集電体または前記酸素電極集電体と前記電解質とが接触する圧力を均一にすることを特徴とする。
【0015】
締結部から加えられる圧力を集電体が分散することにより、集電体と電解質との間に加わる圧力分布が均一になり、電解質と集電体とが均一に接触して電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【0016】
燃料電極集電体または酸素電極集電体として、表面積の異なる二枚の板状部材を重ね合わせることや、面の中央部分が電解質に対して凸に形成された湾曲した板状とすることによって、締結部に加えられた圧力を集電体が分散することができる。
【0017】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体とを有し、前記筐体は、中央部分が前記接合体に対して凸に形成されて湾曲した一対の板状部材を締結することにより構成されることを特徴とする。
【0018】
筐体が湾曲した板状部材であり、中央部が接合体に対して凸とされていることにより、筐体を締結することで接合体に加えられる圧力が分散され、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【0019】
このとき、締結部において、板状部材の主面に垂直方向に押圧力を加え筐体を締結するとしても、板状部材の主面に水平方向に押圧力を加えて筐体を締結するとしても、接合体に加わる圧力は分散されることになる。
【0020】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池の設計方法は、燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、前記接合体の外部に配される筐体と、前記筐体と前記電解質との間に配置されるスペーサとをモデル化する手順と、前記筐体に圧力を加えた際に前記接合体に加わる応力分布をシミュレーションする手順と、前記応力分布において応力が閾値以上である面積の割合を求める手順とを有することを特徴とする。
【0021】
筐体と接合体とスペーサとをモデル化して応力分布のシミュレーションを行うことで、実際に燃料電池を作成する前の段階で応力分布を見積もることができ、応力分布を均一にするのに適したスペーサ形状や筐体の締結方法を知ることができる。接合体に加わる応力分布が均一な燃料電池では発電効率の向上を図ることができるため、発電効率を向上させるための燃料電池の設計を簡便に行うこと可能になる。このとき、応力分布のシミュレーションに、有限要素法による接触構造解析を用いることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池および燃料電池の設計方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【0023】
図1は本発明の燃料電池パッケージの構成を示す分解斜視図である。電解質21と集電体22,23を組み合わせた接合体24をスペーサ32,33で挟みこみ、スペーサ32,33の外側にそれぞれ燃料流路板27、空気流路板28を配置し、これらの部材を外側から筐体25,26で包み込んで燃料電池をパッケージ化する。このとき、筐体25,26内部に配置される接合体24や、燃料流路板27、空気流路板28、スペーサ32,33等の部材が分離しないように、筐体25,26をボルト29によって締結している。筐体25,26を締結する位置は接合体24が配置された領域外であり、筐体25,26の外周近辺でのみ締結を行う。
【0024】
電解質21は、プロトンを透過させるイオン透過性と耐酸化性、耐熱性を兼ね備えた材質で形成された膜であり、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いる。
【0025】
集電体22,23は、発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。この集電体22,23で電解質21を挟み込んで接合体24が構成される。炭素系材料を用いる場合は、炭素系材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させるようにしても良く、集電体22,23の電解質21と接触する面にはそれぞれ触媒層30,31が形成されており、触媒層30,31と電解質21の接触部分で発電反応が起きる。触媒層30,31は、電解質21と集電体22,23の界面での化学反応を促進する材質を用い、例えば本発明では炭素繊維膜上に白金が担持された炭素粒子を設けた構造としている。
【0026】
筐体25,26は矩形状の平板部材であり、外周近辺にはボルト29を通す締結孔34が形成されている。筐体25,26は接合体24、スペーサ32,33、燃料流路板27および空気流路板28よりも外形が大きく、締結孔34にボルト29を通して筐体25,26を締結した場合にも、ボルト29が他の部材に干渉しない。また、筐体25,26はボルト29の締結によって各部材に対して押圧力を加えるための部材であり、ボルト29のネジ締めによって簡単に変形してしまわない程度の剛性を有する材質によって形成され、本実施の形態では例えばアルミニウムを用いている。
【0027】
燃料流路板27は、複数の溝である燃料流路35が形成された板状の部材であり、燃料流路35が集電体22方向に向くように配置されている。また空気流路板28は、複数の溝である空気流路36が形成された板状の部材であり、空気流路36が集電体23方向に向くように配置されている。燃料流路35と空気流路36の溝方向は互いに直角となるように配置され、燃料流路35には燃料電池外部から供給される燃料ガスが流され、空気流路36には燃料電池外部から供給される酸素を含んだ空気が流される。
【0028】
スペーサ32,33は集電体22,23の略全面に接する板状の部材であり、集電体22と燃料流路板27との間にスペーサ32が配され、集電体23と空気流路板28との間にスペーサ33が配されている。燃料流路35および空気流路36を流れる燃料ガスと酸素を集電体22,23に供給する必要が有るため、スペーサ32,33には開口部37が形成され、気体を透過させることが可能となっている。スペーサ32,33を多孔質な材質で形成してスペーサ32,33の内部を燃料ガスおよび酸素が流れるようにしてもよい。スペーサ32,33は、燃料流路板27と空気流路板28とから伝えられた押圧力が接合体24に対して均一に加わるように、面の一部に加えられた押圧力を分散する機能を有している。押圧力を分散して伝達するためには、スペーサ32,33はある程度の剛性を有する材質によって形成される必要がある。
【0029】
接合体24での発電は、燃料流路板27に形成された燃料流路35からスペーサ32を介して集電体22が燃料を受け取り、空気流路板28に形成された空気流路36からスペーサ33を介して集電体23が空気を受け取り、接合体24においてH2→2H++2e−の如き反応と1/2O2+2H++2e−=H2Oの如き反応が起こり、結果として水が生成される。水素ガス(H2)が燃料流路35を通過する間にプロトンを発生させ、解離したプロトン(H+)は集電体22から集電体23に向かって電解質21の膜中を移動する。この移動したプロトンは、集電体23の触媒層31付近で酸素(空気)と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。
【0030】
図1では、各部材の配置関係を明示するために図示を省略しているが、筐体25,26の内部に配置される各部材の周囲と筐体25,26の間には、気密を保持するための気密部材が配置されており、燃料流路35および空気流路36からの燃料ガスや酸素が漏洩しない構造となっている。
【0031】
筐体25,26の締結は、筐体25,26の外周近辺に形成された締結孔34でのボルト29の締結により行われる。このため、筐体25,26がある程度の剛性を有する材質で形成されていたとしても、燃料流路板27および空気流路板28に加わる押圧力の分布は外周近辺が大きく中心付近が小さい圧力となってしまう。しかし、燃料流路板27および空気流路板28に加わった圧力はスペーサ32,33に伝達され、スペーサ32,33の主として外周付近に押圧力が加わったとしても、スペーサ32,33が剛性を有する材質で形成されていることから、スペーサ32,33の面全体が接合体24に押圧力を伝えることになる。
【0032】
したがって、スペーサ32,33が接合体24に隣接して配されていることによって、接合体24の中心付近に加わる圧力を大きくすることができる。また、スペーサ32,33が集電体22,23の略全面に接するため、接合体24に加わる押圧力の分布を接合体24の全面に均一なものに近づけることができる。
【0033】
接合体24に加わる押圧力の分布が均一なものに近づくと、触媒層30,31と電解質21との界面に存在する真実接触面積が大きくなり、発電反応が起こる面積が増加するために燃料電池の発電効率が向上するはずである。そこで、スペーサを配置した燃料電池と、スペーサを配置しない燃料電池を作成して出力電流値と出力電圧値を測定するとともに、接合体に加わる応力分布をコンピュータによってシュミレーションし、接合体に加わる応力の分布と発電効率との関係を調べることにする。
【0034】
図2(a)は比較例1としてのスペーサを配置しない燃料電池の構成を示した分解図であり、図2(b)は実施例1としてのスペーサを配置した燃料電池の構成を示した分解図である。比較例1と実施例1ともに、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。比較例1および実施例1ともに、電解質41を集電体42と集電体43で挟み込んで接合体44が形成されている。また、筐体45と燃料流路板47が略同一の形状に形成されて接合され、燃料流路板47の集電体42と接する面には燃料流路55が形成されている。筐体45と燃料流路板47は外周部分が枠形状を成しており、燃料電池の気密を確保する気密部材としても機能する。
【0035】
図2(b)に示した実施例1においては、集電体42と燃料流路板47との間および集電体43と図示していない空気流路板との間にスペーサ53が配されている。スペーサ53は、樹脂によって形成された格子形状の平板な板状部材であり、外形は集電体42,43よりも小さく、格子形状であるために開口部分を燃料ガスや酸素が通過可能となっている。ここでは、格子形状の平板部材をスペーサ形状の例として示したが、平板状の部材に開口部を複数設けて網目状の部材を形成するとしても良い。また、スペーサ53と集電体42,43との間に接着層を形成し、スペーサ53と集電体42,43との密着性を向上させて接合体44に均一に圧力を伝達するとしてもよい。
【0036】
さらに、比較例1および実施例1ともに、図1に示したように空気流路が形成された空気流路板と筐体とによって接合体44を挟み込む構造を持つが、図2では図示を省略している。筐体45と燃料流路板47および図示していない筐体と空気流路板の外周部分には締結孔54が形成されており、筐体45と図示していない筐体とを対向させて締結孔54をボルト等で締め付けることで接合体44に対して押圧力が加えられる。
【0037】
上述したスペーサを配置しない比較例1の燃料電池と、スペーサを配置した実施例1の燃料電池とを、同一形状、同一材質、同一サイズで形成し、ボルトを同一の推力で締結したとして、コンピュータを用いて有限要素法を用いて燃料電池の構造を数値モデル化し、接触構造解析を行って接合体44に加わる応力の分布をシミュレーションした。
【0038】
図3は、スペーサを配置しない比較例1における接合体の応力分布のシミュレーション結果を示す図である。図では応力が0.0〜0.6kgf/mm2の範囲を示している。また、図中で黒色が濃い領域は応力が0.1gf/mm2以下の領域である。図から明らかなように、筐体の締結が外周部分で行われているために、接合体44に加わる応力は接合体44の外周近辺に集中しており、接合体44の中央付近では応力が低くなっている。図3での応力が0.1kgf/mm2以上の領域の面積は、接合体44の全面積の36.0%であった。
【0039】
図4は、スペーサを配置する実施例1における接合体の応力分布のシミュレーション結果を示す図である。図では応力が0.0〜0.6kgf/mm2の範囲を示している。また、図中で黒色が濃い領域は応力が0.1gf/mm2以下の領域である。図から明らかなように、スペーサ53を接合体44に隣接して配置したことにより、筐体の締結を外周部分で行っていても、接合体44に加わる応力は外周近辺に集中せずに接合体44の中央付近でも応力が大きく加わっている。図4での応力が0.1kgf/mm2以上の領域の面積は、接合体44の全面積の68.4%であった。
【0040】
次に、図2(a)に示したスペーサを配置しない比較例1と、図2(b)に示したスペーサを配置した実施例1の燃料電池に、同一流量の水素ガスと酸素を供給して実際に発電反応を行わせて、出力電圧と出力電流の関係を測定した。図5は燃料電池の発電による出力電流値と出力電圧値をグラフに示した特性図である。図中で黒塗りの四角で示したグラフがスペーサを配置しない比較例1での出力を示したものであり、黒塗りの三角で示したグラフがスペーサを配置した実施例1での出力を示したものである。
【0041】
図3から明らかなように、実施例1と比較例1とを同一の出力電圧値で比較した場合には、スペーサを配置した実施例1のほうが出力電流値が大きく、電力値が大きいことが分かる。例えば、図中に太線で示した出力電圧値が600mVでは、図中破線で示したように、比較例1の出力電流値は28.6mAであり、実施例1の出力電流値は38.1mAであった。したがって、スペーサを配置したことによって発電効率は約33%向上したことがわかる。
【0042】
図3および図4に示したシミュレーションによる応力分布での応力が0.1kgf/mm2以上の面積比率は、比較例1で36.0%であり実施例1で68.4%であったことから、スペーサを配置したことによる接合体44に加わる応力0.1kgf/mm2以上の面積が32.4%増加したことが分かる。応力分布でのある一定値以上の面積比率の増加が、実測による発電効率の向上とほぼ同程度であることから、発電効率の向上は応力分布の均一化に起因するものであることがわかる。
【0043】
接合体に加わる応力分布を均一化することにより、電解質と触媒層とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0044】
また、コンピュータを用いて有限要素法により接触構造解析を行い、接合体に加わる応力分布をシミュレーションすることにより、スペーサや筐体などの燃料電池を構成する部材の形状や材質形状を変化させた場合にも、応力分布を計算することが可能である。これにより、実際に燃料電池を形成する前にシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算し、応力が一定値以上の領域面積比を計算することによって、燃料電池の発電効率を予測することが可能となる。計算によって燃料電池の発電効率の向上をある程度予測することができるために、燃料電池の開発速度を向上させることが可能である。
【0045】
次に、燃料電池の設計に際してコンピュータを用いて有限要素法による接触構造解析を行って、スペーサの形状ごとに接合体に加わる応力分布を計算して、発電効率の向上を予測した例を示す。以下の実施の形態で示すシミュレーションでは、筐体と燃料流路板または空気流路板とが一体に形成されたとして、筐体とスペーサと接合体との関係だけを示して計算を行うが、燃料電池の構成は図1に示したものと同様であるとする。
【0046】
図6にスペーサを配置しない場合の燃料電池の構成を比較例2として、図6(a)に断面図を示し、シミュレーションにより得られた各部材の変形を図6(b)に示している。比較例2は、縦横の辺の長さが30mm×70mmの矩形状の接合体61と、接合体61に隣接して配置する筐体62で構成される燃料電池である。比較例2においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【0047】
シミュレーションモデルとして、接合体61の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体62をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いて、有限要素法による接触構造解析で各部材の変形量を計算した。図6(b)には、長手方向の辺に形成された締結部63に集中荷重を行い、接合体61の面方向に対して垂直に締結を行った場合での、接合体61と筐体62との変形を計算した結果を示している。図6(b)から明らかなように、筐体62の長手方向の辺に形成された締結部63でのみ締結を行ったことにより、接合体61および筐体62の中央部分が接合体61が配された側と反対に凸形状に変形してしまうことが分かる。
【0048】
図7に比較例2での接合体61での応力分布を計算した結果を示す。図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図から明らかなように、接合体61に加わる応力は締結部63周辺が特に大きく、それより遠ざかるにつれて緩和されている。
【0049】
上述した実施例1で説明したように、接合体61に加わる応力が一定値以上の領域を増加させることによって、接合体61での触媒層と電解質との真実接触面積を増加させて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。したがって、図6に示した比較例2の筐体62と接合体61との間にスペーサを挿入して、筐体62から接合体61に伝達される押圧力をスペーサによって分散させた場合にも、有限要素法による接触構造解析を用いたシミュレーションによって応力分布の変化を計算することで、燃料電池の発電効率向上を予測することが可能である。
【0050】
図8は実施例2であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を図8(a)に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図8(b)に示している。実施例2は、縦横の辺の長さが30mm×70mmの矩形状の接合体71と、接合体71に隣接して配置されるスペーサ73と、スペーサ73に隣接して配置される筐体72で構成される燃料電池である。実施例2においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【0051】
スペーサ73は、接合体71と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、中央部分が長手方向に沿って接合体71方向に凸となるように屈曲されている。したがって、スペーサ73は筐体72方向に突出した受圧部75と、中央部分が接合体71方向に突出した加圧部76と、受圧部75と加圧部76とを連結する伝達部77とを有している。受圧部75はスペーサ73の長辺付近に形成された平面部分であり筐体72と接している。加圧部76はスペーサ73の中央部分に形成された平面部分であり接合体71と接している。受圧部75と加圧部76の面積は略同一である。加圧部76が接合体71と面接触するために、スペーサ73は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【0052】
スペーサ73が筐体72と接合体71との間に配置されていることにより、筐体72の長辺近傍に形成された締結部74に押圧力を加えたとしても、スペーサ73の受圧部75が筐体72から押圧力を受け、伝達部77を介して加圧部76が接合体71に押圧力を伝達するため、接合体71に加わる応力は締結部74から分散されて接合体71の中央部分にも加えられる。
【0053】
スペーサを配置しない比較例2に対してのスペーサ73の効果を確認するために、実施例2のシミュレーションモデルも比較例2と同様に、接合体71の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体72をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体72の長手方向の辺に形成された締結部74に集中荷重を行い、接合体71の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【0054】
図8(b)に示した実施例2での接合体71に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図8(b)から明らかなように、スペーサ73を筐体72と接合体71との間に挿入したことによって、スペーサ73の伝達部77が形成されている領域近辺での接合体71に加わる応力が増加しているのが分かる。
【0055】
したがって、スペーサ73として屈曲した板状であり面の中央部分が接合体71に対して凸に形成されているものを用いることによって、筐体72に加えられた圧力をスペーサ73が分散して接合体71に伝達し、接合体71に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体71に加わる応力分布を均一化することによって、接合体71の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0056】
図9は実施例3であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を図9(a)に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図9(b)に示している。実施例3は、縦横の辺の長さが30mm×70mmの矩形状の接合体81と、接合体81に隣接して配置されるスペーサ83と、スペーサ83に隣接して配置される筐体82で構成される燃料電池である。実施例3においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【0057】
スペーサ83は接合体81と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、長辺部分の筐体82側に形成された受圧部85と、接合体81側に形成された加圧部86と、受圧部85と加圧部86とを連結する伝達部87とを有している。受圧部85はスペーサ73の長辺付近に形成された平面部分であり筐体82と接している。加圧部86はスペーサ83の接合体81側の全面に形成された平面部分であり接合体81と接している。スペーサ83の長辺部分は、長手方向に沿って受圧部85と加圧部86との二重構造を形成し、その二重構造の間には伝達部77によって中空領域88が形成されている。
【0058】
受圧部85の面積よりも加圧部86の面積のほうが大きく、加圧部86の全面が接合体81と接触して圧力の伝達を行うため、接合体81の略全面に圧力が均一に加えられる。加圧部86が接合体81と面接触するために、スペーサ83は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【0059】
スペーサ83が筐体82と接合体81との間に配置されていることにより、筐体82の長辺近傍に形成された締結部84に押圧力を加えたとしても、スペーサ83の受圧部85が筐体82から押圧力を受け、伝達部87を介して加圧部86が接合体81に押圧力を伝達するため、接合体81に加わる応力は締結部84から分散されて接合体81の略全面にわたって均一に加えられる。
【0060】
スペーサを配置しない比較例2に対してのスペーサ83の効果を確認するために、実施例3のシミュレーションモデルも比較例2と同様に、接合体81の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体82をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体82の長手方向の辺に形成された締結部84に集中荷重を行い、接合体81の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【0061】
図9(b)に示した実施例3での接合体81に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図9(b)から明らかなように、スペーサ83を筐体82と接合体81との間に挿入したことによって、スペーサ83の伝達部87が形成されている領域近辺での接合体81に加わる応力が増加しているのが分かる。
【0062】
したがって、スペーサ83として受圧部85と加圧部86と伝達部87とを有し、スペーサ83の長辺部分が長手方向に沿って受圧部85と加圧部86との二重構造を形成し、加圧部86が接合体81の略全面と接するものを用いることによって、筐体82に加えられた圧力をスペーサ83が分散して接合体81に伝達し、接合体81に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体81に加わる応力分布を均一化することによって、接合体81の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0063】
図10は実施例4であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を図10(a)に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図10(b)に示している。実施例4は、縦横の辺の長さが30mm×70mmの矩形状の接合体91と、接合体91に隣接して配置されるスペーサ93と、スペーサ93に隣接して配置される筐体92で構成される燃料電池である。実施例4においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【0064】
スペーサ93は、接合体91と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、筐体92側に形成された受圧部95と、接合体91側に形成された加圧部96と、受圧部95と加圧部96とを連結する伝達部97とを有している。受圧部95および加圧部96は接合体91と略同一の面積の平面部分であり、受圧部95と加圧部96との二重構造を形成し、その二重構造の間には伝達部97によって中空領域98が形成されている。
【0065】
受圧部95と加圧部96の面積は同一であり、受圧部95の全面が筐体92と接触し、加圧部96の略全面が接合体91と接触して圧力の伝達を行うため、接合体91の略全面に圧力が均一に加えられる。加圧部96が接合体91と面接触するために、スペーサ93は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【0066】
スペーサ93が筐体92と接合体91との間に配置されていることにより、筐体92の長辺近傍に形成された締結部94に押圧力を加えたとしても、スペーサ93の受圧部95が筐体92から押圧力を受け、伝達部97を介して加圧部96が接合体91に押圧力を伝達するため、接合体91に加わる応力は締結部94から分散されて接合体91の略全面にわたって均一に加えられる。
【0067】
スペーサを配置しない比較例2に対してのスペーサ93の効果を確認するために、実施例4のシミュレーションモデルも比較例2と同様に、接合体91の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体92をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体92の長手方向の辺に形成された締結部94に集中荷重を行い、接合体91の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【0068】
図10(b)に示した実施例4での接合体91に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図10(b)から明らかなように、スペーサ93を筐体92と接合体91との間に挿入したことによって、接合体91のほぼ全面に加わる応力が増加しているのが分かる。
【0069】
したがって、スペーサ93として受圧部95と加圧部96と伝達部97とを有し、受圧部95と加圧部96とが接合体91と略同一面積のの二重構造を形成し、加圧部96が接合体91の略全面と接するものを用いることによって、筐体92に加えられた圧力をスペーサ93が分散して接合体91に伝達し、接合体91に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体91に加わる応力分布を均一化することによって、接合体91の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0070】
図11は実施例5であり、筐体を湾曲させて接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図11(a)に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図11(b)に示している。実施例5は、縦横の辺の長さが30mm×70mmの矩形状の接合体101と、接合体101に隣接して配置される筐体102で構成される燃料電池である。実施例5においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【0071】
筐体102は接合体101と略同一サイズの板状の部材であり、中央部分が接合体101方向に凸に湾曲した形状を成している。ここで湾曲の形状としては筐体102の全面が一様な曲率で湾曲しているとしてもよく、ボルトなどで締結を行う締結部104周辺部分を平面形状にするとしてもよい。本実施例は、図6(b)に示したように、平板の筐体を締結すると筐体は中央部分が接合体と反対側に膨らむ傾向があるため、その傾向と逆に予め筐体102を接合体101方向に膨らませて、接合体101に加わる応力分布の均一化を図ったものである。
【0072】
筐体102が接合体101に対して凸に湾曲した形状であり、筐体102の長辺近傍に形成された締結部104に押圧力を加えた場合には、筐体102と接合体101とは筐体102の突出した部分から接触し始める。締結部104に加えられる押圧力は、筐体102が変形して接合体101と全面にわたって接触するまで加えられる。このため、締結部104から接合体101に伝達される押圧力は接合体101の中央部分に分散されて、接合体101の略全面にわたって均一に加えられる。
【0073】
筐体が平坦な板状部材である比較例2に対しての筐体102の湾曲の効果を確認するために、実施例5のシミュレーションモデルも比較例2と同様に、接合体101の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体102をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体102の長手方向の辺に形成された締結部104に集中荷重を行い、接合体101の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【0074】
図11(b)に示した実施例5での接合体101に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図11(b)から明らかなように、筐体102の中央部分を接合体101方向に凸な湾曲形状とすることによって、接合体101の中央部分に加わる応力が増加しているのが分かる。
【0075】
したがって、筐体102の中央部分を接合体101方向に凸な湾曲形状とすることによって、締結部104に加えられた押圧力を筐体102の湾曲部分が分散して接合体101に伝達し、接合体101に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体101に加わる応力分布を均一化することによって、接合体101の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0076】
図12は、実施例6として第五の実施の形態と同様に、筐体の中央部分を接合体方向に凸に湾曲させ、接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図12(a)に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図12(b)に示している。第五の実施の形態との相違点は、筐体に加える押圧力を接合体の面に平行に加える点であり、燃料電池のシミュレーションに用いる構造は第五の実施の形態と同様であるために同一の符号を用いて説明を行う。
【0077】
図12(b)に示した実施例6での接合体101に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図12(b)から明らかなように、筐体102の中央部分を接合体101方向に凸な湾曲形状とし、筐体102の長辺に形成された締結部105において、接合体101の面に平行方向に押圧力を加えることによって、接合体101の中央部分に加わる応力が増加しているのが分かる。
【0078】
したがって、筐体102の中央部分を接合体101方向に凸な湾曲形状とし、接合体101の面に平行方向に押圧力を加えることによって、締結部105に加えられた押圧力を筐体102の湾曲部分が分散して接合体101に伝達し、接合体101に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体101に加わる応力分布を均一化することによって、接合体101の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0079】
図13は実施例7として、第五の実施の形態と同様に、筐体の中央部分を接合体方向に凸に湾曲させ、接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図13(a)に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図13(b)に示している。第五の実施の形態との相違点は、筐体に加える押圧力を接合体の面に平行方向と垂直方向に加える点であり、燃料電池のシミュレーションに用いる構造は第五の実施の形態と同様であるために同一の符号を用いて説明を行う。
【0080】
図13(b)に示した実施例7での接合体101に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図13(b)から明らかなように、筐体102の中央部分を接合体101方向に凸な湾曲形状とし、筐体102の長辺に形成された締結部105において接合体101の面に平行方向に押圧力を加えるとともに、筐体102の長辺近傍に形成された締結部104において接合体101の面に垂直方向に押圧力を加えることによって、接合体101の中央部分および長辺近傍に加わる応力が増加しているのが分かる。
【0081】
したがって、筐体102の中央部分を接合体101方向に凸な湾曲形状とし、接合体101の面に平行方向および垂直方向に押圧力を加えることによって、締結部105に加えられた押圧力を筐体102の湾曲部分が分散して接合体101に伝達し、接合体101に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体101に加わる応力分布を均一化することによって、接合体101の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0082】
本実施の形態では、接合体を構成する集電体を加工することで筐体に加えられる押圧力を分散して、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させる。図14に集電体を加工して接合体を形成した燃料電池の構成例を示す。本実施の形態においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【0083】
図14(a)は、電解質111に集電体112,113を形成して接合体を構成し、筐体114の長辺近傍に形成された締結部115において、電解質111の面に垂直方向に押圧力を加える様子を示した断面図である。電解質111と接触して配される集電体112は電解質111と略同一サイズであり、電解質111と集電体112とは互いに略全面にわたって接触している。集電体113は、集電体112よりも小さく形成されて集電体112に隣接して中央部分に配されている。
【0084】
筐体114は平板な部材であるため、締結部115に押圧力を加えた場合には図6(b)に示したように中央部分が接合体と反対側に膨らんでしまう。そこで、接合体を構成する集電体を大小二枚の部材を重ね合わせた形状とすることによって、電解質111と集電体112の中央部分に加わる応力が増加するようにしたものである。
【0085】
図14(b)は、中央が電解質121方向に凸に湾曲した集電体122と電解質121とによって接合体を構成し、筐体124の長辺近傍に形成された締結部125において、電解質121の面に垂直方向に押圧力を加える様子を示した断面図である。電解質121に隣接して配される集電体122は電解質121と略同一サイズであり、中央部分が電解質121方向に凸に湾曲した形状となっている。
【0086】
筐体124は平板な部材であるため、締結部125に押圧力を加えた場合には図6(b)に示したように中央部分が接合体と反対側に膨らんでしまう。そこで、接合体を構成する集電体122の中央部分を電解質121方向に凸に湾曲した形状とすることによって、電解質121と集電体122の中央部分に加わる応力が増加するようにしたものである。
【0087】
図14(a)に示した大小二枚の集電体を重ね合わせた場合にも、図14(b)に示した集電体の中央を電解質方向に凸に湾曲させた場合にも、筐体の長辺近傍に加えられた押圧力は集電体によって分散され、電解質と集電体の中央部分での応力を増加させると考えられる。接合体に加わる応力分布を均一化することによって、接合体の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【0088】
【発明の効果】
締結部に加えられた圧力をスペーサによって分散して接合体に伝えることにより、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【0089】
スペーサを、筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、接合体に圧力を加える加圧部と、受圧部と加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有するとし、受圧部が他の部材と接触する面の面積より、加圧部が他の部材と接触する面の面積を大きくすることや、加圧部が接合体の略全面に接触することによって、スペーサが圧力の分散を図ることができる。
【0090】
筐体を湾曲した板状部材であり、中央部が接合体に対して凸とすることにより、筐体を締結することで接合体に加えられる圧力が分散され、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。このとき、締結部において板状部材の主面に垂直方向に押圧力を加え筐体を締結するとしても、板状部材の主面に水平方向に押圧力を加えて筐体を締結するとしても、接合体に加わる圧力は分散されることになる。
【0091】
締結部から加えられる圧力を集電体が分散することにより、集電体と電解質に加わる圧力分布が均一なものになり、電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。燃料電極集電体または酸素電極集電体として、表面積の異なる二枚の板状部材を重ね合わせることや、面の中央部分が電解質に対して凸に形成された湾曲した板状とすることによって、集電体が圧力を分散することができる。
【0092】
筐体と接合体とスペーサとをモデル化して応力分布のシミュレーションを行うことで、実際に燃料電池を作成する前の段階で応力分布を見積もることができ、応力分布を均一にするのに適したスペーサ形状や筐体の締結方法を知ることができる。接合体に加わる応力分布が均一な燃料電池では発電効率の向上を図ることができるため、発電効率を向上させるための燃料電池の設計を簡便に行うこと可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図2】本発明の第一の実施の形態で用いた燃料電池の分解図であり、図2(a)はスペーサを配置しない比較例1を示し、図2(b)は格子状のスペーサを配置した実施例1を示している。
【図3】シミュレーションによって計算したスペーサを配置しない比較例1での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図4】シミュレーションによって計算したスペーサを配置した実施例1での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図5】比較例1と実施例1を用いて発電を行ったときの出力電流値と出力電圧値を示すグラフである。
【図6】燃料電池を簡素化して筐体と接合体でモデル化した場合でのスペーサを配置しない比較例2を示す図であり、図6(a)は断面図であり、図6(b)はシミュレーションによって筐体と接合体の変形を計算した結果を示す図である。
【図7】シミュレーションによって、スペーサを配置しない比較例2での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図8】スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例2を示す図であり、図8(a)は断面図であり、図8(b)はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図9】スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例3を示す図であり、図9(a)は断面図であり、図9(b)はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図10】スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例4を示す図であり、図10(a)は断面図であり、図10(b)はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図11】筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例5を示す図であり、図11(a)は断面図であり、図11(b)はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図12】筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例6を示す図であり、図12(a)は断面図であり、図12(b)はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図13】筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例7を示す図であり、図13(a)は断面図であり、図13(b)はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図14】実施例8として接合体の集電体を加工することによって圧力の分散を図ったものであり、図14(a)は大小の集電体を重ね合わせた例を示し、図14(b)は集電体を湾曲させた例を示す。
【図15】従来の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図16】触媒層と電解質との接触する界面での微視的構造を示す模式図である。
【符号の説明】
1,21,41,111,121 電解質
2,3,22,23,42,43,112,113,122 集電体
4,24,44,61,71,81,91,101 接合体
5,6,25,26,45,62,72,82,92,102,114,124筐体
7,27,47 燃料流路板
8,28 空気流路板
9,29 ボルト
10,11,30,31 触媒層
12,35,55 燃料流路
13,36 空気流路
14 真実接触面積
32,33,53,73,83,93 スペーサ
34,54 締結孔
37 開口部
63,74,84,94,104,105,115,125 締結部
75,85,95 受圧部
76,86,96 加圧部
77,87,97 伝達部
88,98 中空領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell and a method for designing a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation element that generates power by electrochemically reacting, for example, hydrogen gas (fuel gas) and oxygen (oxidant gas) contained in air. Fuel cells have attracted attention in recent years as power generating elements that do not pollute the environment because the product generated by power generation is water.For example, attempts have been made to use them as drive power sources for driving automobiles. I have.
[0003]
Further, fuel cells are being actively developed as a drive power source for not only the above-described drive power source for driving a car but also a portable electronic device such as a notebook personal computer, a mobile phone, and a PDA. In such a fuel cell, it is important to be able to stably output required electric power and to have a portable size and weight, and various technologies have been actively developed to meet such demands. I have.
[0004]
Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes and the like. As a typical example, a fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte is known. The polymer electrolyte fuel cell is promising for, for example, the above applications because it can be reduced in cost, can be easily reduced in size and weight, and has a high output density in terms of battery performance. Also, a stack cell type fuel cell configured by alternately stacking a plurality of power generation cells and separators has been proposed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional power generation system using a fuel cell, as shown in FIG. 15, a fuel cell in which a joined
[0006]
On the other hand, in the power generation in the
[0007]
When fastening is performed only in the vicinity of the outer periphery of the
[0008]
Therefore, the present invention provides a fuel cell capable of improving the power generation efficiency by increasing the real contact area between the catalyst layer of the joined body and the electrolyte, and increasing the real contact area between the catalyst layer of the joined body and the electrolyte. It is an object to provide a method for designing a fuel cell.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell according to the present invention includes a joined body in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode current collector and an oxygen electrode current collector; And a spacer disposed between the housing and the joined body to disperse pressure from the fastening portion and transmit the pressure to the joined body.
[0010]
By distributing the pressure applied to the fastening part by the spacer and transmitting it to the joined body, the pressure distribution applied to the joined body becomes uniform, and the electrolyte of the joined body and the current collector come into uniform contact with each other to collect the electrolyte. The real contact area at the interface of the conductor increases. By increasing the area where the electrolyte and the current collector actually come into contact with each other, a power generation reaction easily occurs and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
[0011]
In order to further improve the power generation efficiency, it is desirable that the pressure transmitted to the joined body by the spacer is applied to the joined body substantially uniformly. It is also important that a catalyst layer be formed on the surface of the fuel electrode current collector and the oxygen electrode current collector that is in contact with the electrolyte, and that the catalyst layer be present at the interface between the current collector and the electrolyte.
[0012]
The spacer has a pressure receiving portion that receives pressure applied from the housing, a pressure portion that applies pressure to the joined body, and a transmission portion that transmits a force between the pressure receiving portion and the pressure portion. By increasing the area of the surface where the pressurized portion contacts other members than the area of the surface that contacts other members, or by the pressurized portion contacting almost the entire surface of the joined body, the spacer can reduce the pressure. Dispersion can be achieved. In addition, the spacer can disperse the pressure by forming the spacer into a mesh shape in which a plurality of openings are formed in a flat plate, or by bending the spacer in a plate-like shape and bending the central portion of the surface convexly with respect to the joined body. Can be achieved.
[0013]
By disposing the spacer adjacent to the joined body, the pressure applied to the joined body can be efficiently dispersed by the spacer. At this time, by forming the spacer from a porous material, it is possible to supply fuel or oxygen to the joined body through the holes of the porous material. Further, an adhesive layer for bonding the spacer and the joined body may be provided between the spacer and the joined body.
[0014]
According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell including a fuel cell current collector and an oxygen electrode current collector sandwiching an electrolyte between the fuel cell current collector and the oxygen electrode current collector. And a casing having a fastening portion for applying pressure to the fuel electrode current collector or the oxygen electrode electrode, the fuel electrode current collector or the oxygen electrode current collector dispersing the pressure from the fastening portion, and the fuel electrode current collector or the oxygen electrode The pressure at which the current collector contacts the electrolyte is made uniform.
[0015]
By dispersing the pressure applied from the fastening portion by the current collector, the distribution of pressure applied between the current collector and the electrolyte becomes uniform, and the electrolyte and the current collector come into uniform contact, so that the electrolyte and the current collector The real contact area of the interface increases. By increasing the area where the electrolyte and the current collector actually come into contact with each other, a power generation reaction easily occurs and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
[0016]
By stacking two plate-shaped members with different surface areas as a fuel electrode current collector or an oxygen electrode current collector, or by forming a curved plate shape with the central part of the surface protruding against the electrolyte The current collector can disperse the pressure applied to the fastening portion.
[0017]
According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell including a fuel cell current collector and an oxygen electrode current collector sandwiching an electrolyte between the fuel cell current collector and the oxygen electrode current collector. A housing having a fastening portion for applying pressure to the housing, wherein the housing is configured by fastening a pair of curved plate-shaped members having a central portion formed to be convex with respect to the joined body. It is characterized.
[0018]
The casing is a curved plate-shaped member, and the central portion is convex with respect to the joined body, so that the pressure applied to the joined body by fastening the casing is dispersed, and the pressure distribution applied to the joined body Is uniform, and the electrolyte of the joined body and the current collector are in uniform contact, and the real contact area at the interface between the electrolyte and the current collector is increased. By increasing the area where the electrolyte and the current collector actually come into contact with each other, a power generation reaction easily occurs and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
[0019]
At this time, in the fastening portion, even if the housing is fastened by applying a pressing force in the vertical direction to the main surface of the plate member, it is assumed that the housing is fastened by applying a pressing force in the horizontal direction to the main surface of the plate member. However, the pressure applied to the joined body is dispersed.
[0020]
Further, in order to solve the above-mentioned problem, a fuel cell designing method of the present invention includes a joined body in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode current collector and an oxygen electrode current collector, and a joint disposed outside the joined body. Case, a procedure for modeling a spacer disposed between the case and the electrolyte, and a procedure for simulating a stress distribution applied to the joined body when pressure is applied to the case, Calculating a ratio of an area in which the stress is equal to or larger than a threshold in the stress distribution.
[0021]
By simulating the stress distribution by modeling the housing, the joined body, and the spacer, the stress distribution can be estimated before the fuel cell is actually created, which is suitable for making the stress distribution uniform. It is possible to know the spacer shape and the method of fastening the housing. In a fuel cell in which the distribution of stress applied to the joined body is uniform, the power generation efficiency can be improved, so that it is possible to easily design a fuel cell for improving the power generation efficiency. At this time, the contact structure analysis by the finite element method can be used for the simulation of the stress distribution.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell and a fuel cell designing method to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following description, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
[0023]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell package of the present invention. A joined
[0024]
The electrolyte 21 is a membrane formed of a material having both ion permeability for transmitting protons, oxidation resistance, and heat resistance. For example, a perfluorosulfonic acid polymer is used.
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
In the power generation in the joined
[0030]
Although illustration is omitted in FIG. 1 in order to clarify the arrangement relationship of each member, airtightness is provided between the periphery of each member arranged inside the
[0031]
The
[0032]
Therefore, since the
[0033]
When the distribution of the pressing force applied to the joined
[0034]
FIG. 2A is an exploded view showing a configuration of a fuel cell without a spacer as Comparative Example 1, and FIG. 2B is an exploded view showing a configuration of a fuel cell with a spacer as Example 1. FIG. In both Comparative Example 1 and Example 1, the same components will be described with the same reference numerals. In both Comparative Example 1 and Example 1, the joined
[0035]
In the first embodiment shown in FIG. 2B, spacers 53 are provided between the
[0036]
Further, both the comparative example 1 and the example 1 have a structure in which the joined
[0037]
Assuming that the fuel cell of Comparative Example 1 without the spacer and the fuel cell of Example 1 with the spacer are formed in the same shape, the same material, and the same size, and the bolts are fastened with the same thrust. The structure of the fuel cell was numerically modeled by using the finite element method, and the contact structure analysis was performed to simulate the distribution of the stress applied to the joined
[0038]
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of a stress distribution of a joined body in Comparative Example 1 in which no spacer is provided. In the figure, the stress is 0.0-0.6kgf / mm 2 Is shown. In the figure, the area where the black color is dark has a stress of 0.1 gf / mm. 2 The following areas. As is clear from the figure, since the housing is fastened to the outer peripheral portion, the stress applied to the joined
[0039]
FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of the stress distribution of the joined body in the first embodiment in which the spacers are arranged. In the figure, the stress is 0.0-0.6kgf / mm 2 Is shown. In the figure, the area where the black color is dark has a stress of 0.1 gf / mm. 2 The following areas. As is clear from the figure, by arranging the
[0040]
Next, the same flow rates of hydrogen gas and oxygen were supplied to the fuel cell of Comparative Example 1 in which the spacer shown in FIG. 2A was not provided and the fuel cell of Example 1 in which the spacer shown in FIG. 2B was provided. Then, the power generation reaction was actually performed, and the relationship between the output voltage and the output current was measured. FIG. 5 is a characteristic diagram showing an output current value and an output voltage value by power generation of the fuel cell in a graph. In the figure, the black square graph shows the output in Comparative Example 1 in which no spacer is arranged, and the black triangle graph shows the output in Example 1 in which the spacer is arranged. It is something.
[0041]
As is clear from FIG. 3, when the first embodiment and the first comparative example are compared at the same output voltage value, the first embodiment in which the spacers are arranged has a larger output current value and a larger power value. I understand. For example, when the output voltage value indicated by the thick line in the drawing is 600 mV, the output current value of Comparative Example 1 is 28.6 mA, and the output current value of Example 1 is 38.1 mA, as indicated by the broken line in the drawing. Met. Therefore, it can be seen that the power generation efficiency was improved by about 33% by arranging the spacers.
[0042]
The stress in the stress distribution by the simulation shown in FIGS. 3 and 4 is 0.1 kgf / mm. 2 Since the above area ratio was 36.0% in Comparative Example 1 and 68.4% in Example 1, the stress applied to the joined
[0043]
By uniformizing the distribution of stress applied to the joined body, it is possible to increase the catalyst utilization area by bringing the electrolyte and the catalyst layer into close contact, to reduce the contact resistance inside the joined body, and as a current collector as a diffusion layer. Thus, the porosity of the fuel becomes uniform, the fuel can be stably diffused, and the output can be improved.
[0044]
In addition, when the contact structure analysis is performed by the finite element method using a computer and the distribution of the stress applied to the joined body is simulated, the shape and material shape of the fuel cell components such as spacers and housings are changed In addition, it is possible to calculate the stress distribution. This makes it possible to predict the power generation efficiency of the fuel cell by calculating the stress distribution applied to the joined body by simulation before actually forming the fuel cell, and calculating the area ratio of the area where the stress exceeds a certain value. It becomes. Since the calculation can predict the improvement in the power generation efficiency of the fuel cell to some extent, it is possible to improve the development speed of the fuel cell.
[0045]
Next, an example in which a contact structure analysis is performed by a finite element method using a computer at the time of designing a fuel cell, a stress distribution applied to the joined body for each spacer shape is calculated, and an improvement in power generation efficiency is predicted. In the simulations described in the following embodiments, assuming that the casing and the fuel channel plate or the air channel plate are integrally formed, the calculation is performed by showing only the relationship between the casing, the spacer, and the joined body. It is assumed that the configuration of the fuel cell is the same as that shown in FIG.
[0046]
FIG. 6A is a cross-sectional view showing a configuration of the fuel cell in which the spacer is not provided in FIG. 6 as a comparative example 2, and FIG. 6B shows deformation of each member obtained by simulation. Comparative Example 2 is a fuel cell including a rectangular joined
[0047]
As a simulation model, the deformation amount of each member was calculated by the contact structure analysis by the finite element method using the material property values when the electrolyte of the joined
[0048]
FIG. 7 shows the result of calculating the stress distribution in the joined
[0049]
As described in the first embodiment, by increasing the region where the stress applied to the joined
[0050]
FIG. 8 shows a second embodiment. FIG. 8A is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell in which spacers are arranged, and FIG. 8B shows a simulation result of a stress distribution applied to the joined body. . The second embodiment is different from the first embodiment in that a rectangular
[0051]
The
[0052]
Since the
[0053]
In order to confirm the effect of the
[0054]
According to the result of calculating the distribution of stress applied to the joined
[0055]
Therefore, by using a bent plate-shaped
[0056]
FIG. 9 shows a third embodiment. FIG. 9A is a cross-sectional view showing the configuration of a fuel cell in which spacers are arranged, and FIG. 9B shows a simulation result of a distribution of stress applied to the joined body. . The third embodiment is different from the first embodiment in that a rectangular
[0057]
The
[0058]
The area of the pressurizing
[0059]
Since the
[0060]
In order to confirm the effect of the
[0061]
According to the result of calculating the stress distribution applied to the joined
[0062]
Therefore, the
[0063]
FIG. 10 shows a fourth embodiment. FIG. 10A is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell in which spacers are arranged, and FIG. 10B shows a simulation result of a distribution of stress applied to a joined body. . In the fourth embodiment, a rectangular
[0064]
The
[0065]
Since the
[0066]
Since the
[0067]
In order to confirm the effect of the
[0068]
According to the result of calculating the distribution of stress applied to the joined
[0069]
Therefore, the
[0070]
FIG. 11 is a cross-sectional view of a fuel cell in a case where the casing is bent to disperse the stress applied to the joined body according to the fifth embodiment. The simulation result is shown in FIG. Example 5 is a fuel cell including a rectangular joined
[0071]
The
[0072]
When the
[0073]
In order to confirm the effect of the curvature of the
[0074]
According to the result of calculating the stress distribution applied to the joined
[0075]
Therefore, by making the central portion of the casing 102 a curved shape that is convex in the direction of the joined
[0076]
FIG. 12 shows a configuration of a fuel cell in which the central portion of the housing is convexly curved in the direction of the joined body to disperse the stress applied to the joined body, as in the fifth embodiment as Example 6. FIG. 12A is a cross-sectional view, and FIG. 12B shows a simulation result of the distribution of stress applied to the joined body. The difference from the fifth embodiment is that the pressing force applied to the housing is applied in parallel to the surface of the joined body, and the structure used for the simulation of the fuel cell is the same as that of the fifth embodiment. Will be described using the same reference numerals.
[0077]
According to the calculation result of the stress distribution applied to the joined
[0078]
Therefore, the pressing force applied to the fastening portion 105 is reduced by applying a pressing force in a direction parallel to the surface of the joined
[0079]
FIG. 13 shows a configuration of a fuel cell in which the central portion of the housing is convexly curved in the direction of the joined body to disperse the stress applied to the joined body, as in the fifth embodiment, as Example 7. FIG. 13A is a cross-sectional view, and FIG. 13B shows a simulation result of a stress distribution applied to the joined body. The difference from the fifth embodiment is that the pressing force applied to the housing is applied in a direction parallel and perpendicular to the surface of the joined body, and the structure used for the simulation of the fuel cell is different from that of the fifth embodiment. Since the same is applied, the description will be made using the same reference numerals.
[0080]
According to the calculation result of the stress distribution applied to the joined
[0081]
Therefore, the central portion of the
[0082]
In the present embodiment, the pressing force applied to the housing is dispersed by processing the current collector constituting the joined body, and the true contact area between the catalyst layer of the joined body and the electrolyte is increased. FIG. 14 shows a configuration example of a fuel cell in which a collector is processed to form a joined body. Also in the present embodiment, it is described that the housing and the air channel plate or the fuel channel plate are integrally formed.
[0083]
FIG. 14A shows a structure in which
[0084]
Since the housing 114 is a flat member, when a pressing force is applied to the
[0085]
FIG. 14B shows a structure in which the
[0086]
Since the
[0087]
Both the case where the large and small current collectors shown in FIG. 14A are superposed and the case where the center of the current collector shown in FIG. It is considered that the pressing force applied to the vicinity of the long side of the body is dispersed by the current collector, and increases the stress in the central portion between the electrolyte and the current collector. By uniformizing the distribution of stress applied to the joined body, the catalyst layer of the joined body and the electrolyte are brought into close contact with each other to increase the catalyst utilization area, to reduce the contact resistance inside the joined body, and as a diffusion layer. The porosity in the current collector becomes uniform, and stable diffusion of fuel can be maintained, and output can be improved.
[0088]
【The invention's effect】
By distributing the pressure applied to the fastening part by the spacer and transmitting it to the joined body, the pressure distribution applied to the joined body becomes uniform, and the electrolyte of the joined body and the current collector come into uniform contact with each other to collect the electrolyte. The real contact area at the interface of the conductor increases. By increasing the area where the electrolyte and the current collector actually come into contact with each other, a power generation reaction easily occurs and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
[0089]
The spacer has a pressure receiving portion that receives pressure applied from the housing, a pressure portion that applies pressure to the joined body, and a transmission portion that transmits a force between the pressure receiving portion and the pressure portion. By increasing the area of the surface where the pressurized portion contacts other members than the area of the surface that contacts other members, or by the pressurized portion contacting almost the entire surface of the joined body, the spacer can reduce the pressure. Dispersion can be achieved.
[0090]
The casing is a curved plate-like member. The central part is convex with respect to the joined body, so that the pressure applied to the joined body is dispersed by fastening the casing, and the pressure distribution applied to the joined body is uniform. In this case, the electrolyte of the joined body and the current collector contact uniformly, and the real contact area of the interface between the electrolyte and the current collector increases. By increasing the area where the electrolyte and the current collector actually come into contact with each other, a power generation reaction easily occurs and the power generation efficiency of the fuel cell is improved. At this time, even if the housing is fastened by applying a pressing force to the main surface of the plate member in the vertical direction at the fastening portion, or the housing is fastened by applying a pressing force to the main surface of the plate member in the horizontal direction. Then, the pressure applied to the joined body is dispersed.
[0091]
By dispersing the pressure applied from the fastening part by the current collector, the pressure distribution applied to the current collector and the electrolyte becomes uniform, and the electrolyte and the current collector contact uniformly, and the interface between the electrolyte and the current collector Increase the true contact area of the By increasing the area where the electrolyte and the current collector actually come into contact with each other, a power generation reaction easily occurs and the power generation efficiency of the fuel cell is improved. By stacking two plate-shaped members with different surface areas as a fuel electrode current collector or an oxygen electrode current collector, or by forming a curved plate shape with the central part of the surface protruding against the electrolyte , The current collector can disperse the pressure.
[0092]
By simulating the stress distribution by modeling the housing, the joined body, and the spacer, the stress distribution can be estimated before the fuel cell is actually created, which is suitable for making the stress distribution uniform. It is possible to know the spacer shape and the method of fastening the housing. In a fuel cell in which the distribution of stress applied to the joined body is uniform, the power generation efficiency can be improved, so that it is possible to easily design a fuel cell for improving the power generation efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a fuel cell according to the present invention.
2 is an exploded view of the fuel cell used in the first embodiment of the present invention, FIG. 2 (a) shows a comparative example 1 in which no spacer is provided, and FIG. 2 (b) shows a grid-like spacer; Example 1 in which is disposed.
FIG. 3 is a diagram showing a distribution of stress applied to a joined body in Comparative Example 1 in which no spacer is arranged, calculated by simulation.
FIG. 4 is a diagram showing a distribution of stress applied to a joined body in Example 1 in which spacers calculated by simulation are arranged.
FIG. 5 is a graph showing an output current value and an output voltage value when power is generated using Comparative Example 1 and Example 1.
6A and 6B are diagrams illustrating a comparative example 2 in which no spacer is arranged when a fuel cell is simplified and modeled by a housing and a joined body, FIG. 6A is a cross-sectional view, and FIG. () Is a diagram showing a result of calculating deformation of the housing and the joined body by simulation.
FIG. 7 is a diagram showing, by simulation, a distribution of stress applied to a joined body in Comparative Example 2 in which no spacer is arranged.
8A and 8B are diagrams showing Example 2 in which a spacer is arranged between the housing and the joined body, FIG. 8A is a cross-sectional view, and FIG. 8B is a distribution of stress applied to the joined body by simulation; It is a figure which shows the result of having calculated.
9A and 9B are diagrams showing Example 3 in which a spacer is arranged between the housing and the joined body, FIG. 9A is a cross-sectional view, and FIG. 9B is a stress distribution applied to the joined body by simulation; It is a figure which shows the result of having calculated.
10A and 10B are diagrams showing Example 4 in which a spacer is arranged between the housing and the joined body, FIG. 10A is a cross-sectional view, and FIG. 10B is a distribution of stress applied to the joined body by simulation; It is a figure which shows the result of having calculated.
11A and 11B are diagrams showing Example 5 in which the casing is curved to achieve pressure distribution, FIG. 11A is a cross-sectional view, and FIG. 11B is a stress distribution applied to the joined body by simulation. It is a figure which shows the result of having calculated.
12A and 12B are diagrams showing Example 6 in which the housing is curved to distribute the pressure, FIG. 12A is a cross-sectional view, and FIG. 12B is a stress distribution applied to the joined body by simulation. It is a figure which shows the result of having calculated.
13A and 13B are diagrams showing Example 7 in which a casing is curved to achieve pressure distribution, FIG. 13A is a cross-sectional view, and FIG. 13B is a stress distribution applied to a joined body by simulation; It is a figure which shows the result of having calculated.
FIG. 14 shows an example 8 in which pressure distribution is achieved by processing a current collector of a joined body. FIG. 14 (a) shows an example in which large and small current collectors are superimposed. (B) shows an example in which the current collector is curved.
FIG. 15 is an exploded perspective view showing a configuration of a conventional fuel cell.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a microscopic structure at an interface where a catalyst layer contacts an electrolyte.
[Explanation of symbols]
1,21,41,111,121 electrolyte
2,3,22,23,42,43,112,113,122 current collector
4,24,44,61,71,81,91,101 joined body
5, 6, 25, 26, 45, 62, 72, 82, 92, 102, 114, 124 cases
7,27,47 Fuel passage plate
8,28 Air flow plate
9,29 volts
10, 11, 30, 31 catalyst layer
12,35,55 Fuel flow path
13,36 Air flow path
14 Truth Contact Area
32, 33, 53, 73, 83, 93 spacer
34,54 fastening holes
37 opening
63, 74, 84, 94, 104, 105, 115, 125
75,85,95 Pressure receiving part
76, 86, 96 Pressurizing section
77, 87, 97 Transmission unit
88,98 hollow area
Claims (19)
前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体と、
前記筐体と前記接合体との間に配置されて前記締結部からの圧力を分散させて前記接合体に伝えるスペーサと、
を有することを特徴とする燃料電池。A joined body comprising an electrolyte sandwiched between a fuel electrode current collector and an oxygen electrode current collector,
A housing having a fastening portion arranged outside the joined body and applying pressure to the joined body,
A spacer that is disposed between the housing and the joined body and distributes pressure from the fastening unit to the joined body,
A fuel cell comprising:
前記接合体に圧力を加える加圧部と、
前記受圧部と前記加圧部との間で力を伝達する伝達部と
を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。The spacer is a pressure receiving portion that receives pressure applied from the housing,
A pressurizing unit for applying pressure to the joined body,
The fuel cell according to claim 1, further comprising a transmission unit that transmits a force between the pressure receiving unit and the pressure unit.
前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体とを有し、
前記燃料電極集電体または前記酸素電極集電体が前記締結部からの圧力を分散して、前記燃料電極集電体または前記酸素電極集電体と前記電解質とが接触する圧力を均一にすることを特徴とする燃料電池。A joined body comprising an electrolyte sandwiched between a fuel electrode current collector and an oxygen electrode current collector,
A housing having a fastening portion disposed outside the joined body and applying pressure to the joined body,
The fuel electrode current collector or the oxygen electrode current collector disperses the pressure from the fastening portion to make the pressure at which the fuel electrode current collector or the oxygen electrode current collector contacts the electrolyte uniform. A fuel cell, characterized in that:
前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体とを有し、
前記筐体は、中央部分が前記接合体に対して凸に形成されて湾曲した一対の板状部材を締結することにより構成される
ことを特徴とする燃料電池。A joined body comprising an electrolyte sandwiched between a fuel electrode current collector and an oxygen electrode current collector,
A housing having a fastening portion disposed outside the joined body and applying pressure to the joined body,
The fuel cell is characterized in that the casing is formed by fastening a pair of curved plate-shaped members whose central portion is formed to be convex with respect to the joined body.
前記筐体に圧力を加えた際に前記接合体に加わる応力分布をシミュレーションする手順と、
前記応力分布において応力が閾値以上である面積の割合を求める手順と
を有することを特徴とする燃料電池の設計方法。A joined body in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode current collector and an oxygen electrode current collector, a housing arranged outside the joined body, and a spacer arranged between the housing and the electrolyte And the steps to model
Procedure for simulating the stress distribution applied to the joined body when applying pressure to the housing,
Obtaining a ratio of an area in which the stress is equal to or larger than a threshold value in the stress distribution.
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