JP2005032577A - 燃料電池、燃料電池の組立方法および燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池として小型化を達成しつつ、セパレータの位置決め精度を高める。
【解決手段】 固体高分子電解質膜１３の一方側に酸化剤極側ガス拡散電極１５を、同他方側に燃料極側ガス拡散電極１７をそれぞれ形成してＭＥＡ（膜電極接合体）１を構成する。ＭＥＡ１を酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５とで挟んで単セルを構成し、この単セルを複数積層して燃料電池スタックとする。各セパレータ３，５を波形に形成することで、酸化剤極側セパレータ３とＭＥＡ１との間に酸化剤ガス流路３１を、燃料極側セパレータ５とＭＥＡ１との間に燃料ガス流路３３をそれぞれ形成するとともに、互いに隣接する単セル相互間の各セパレータ３，５間に冷却水流路３５を形成する。そして、この互いに隣接する単セル相互間の各セパレータ３，５の凸部３ａと凸部５ａとの接触部を、互いに嵌合する凹曲面３ａ１と凸曲面５ａ１とからなる位置決め部とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、固体高分子型の燃料電池、燃料電池の組立方法および燃料電池自動車に関する。

燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。

このため地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモータの電源として利用し、このモータにより自動車を駆動することが検討されている。

このような燃料電池は、両面に電極（燃料極，酸化剤極）を設ける電解質の種類により、固体高分子電解型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の各種が知られている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）における電極反応は以下のようになる。

燃料極：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（１）
酸化剤極：(1/2)Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-→Ｈ₂ Ｏ ・・・（２）
燃料極には燃料ガスが供給され、上記式（１）の反応が進行してプロトンが生成される。プロトンは、水和状態で、電解質、ここでは固体高分子型電解質内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極では、このプロトンと、供給された酸化剤ガス中の酸素により、上記式（２）の反応が進行する。式（１），（２）の反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。

このように固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池である。これは比較的低温で作動し、効率の良い発電を行うことができるため、電気自動車搭載用を始めとして各種用途が見込まれている。

また、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極（ガス拡散層と触媒層からなり、触媒が存在する面が高分子電解質膜に接する）をホットプレスなどの手段により接合してなる膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、このＭＥＡを両側から挟むように、カーボンや金属製の一対のセパレータを配置した構造を有する。そして、このＭＥＡと一対のセパレータからなる単セルを複数積層して燃料電池スタックを構成する。このような燃料電池スタックでは、セパレータのガス拡散電極側にガス流路を備える一方、これと反対側すなわち単セル相互間にに冷却水流路を備える。

上記した固体高分子電解質型燃料電池の小型化、低コスト化のため、例えば下記特許文献１，２に開示されるように、セパレータに金属製薄板材料を用い、プレス成形などの加工により、波形に成形することで、セパレータの厚さを低減させることが試みられている。
特開２０００−３２３１４９号公報 特開２００２−１９０３０５号公報

ところで、上記したように、セパレータとして金属薄板の波形成形品を用いた場合、ガス流路面、冷却水流路面ともに、対峙する波形の凸部同士が対向する状態で積層して、燃料電池スタックとして組み立てる必要がある。

ところが、プレス成形品で発生する反りや、凸部の接触部が凸曲面となる影響を受けて、位置決めの難易度が高く、例えば一つのセパレータにおける互いに隣接する凸部相互間のピッチ２ｍｍに対し、対向配置するセパレータ相互で０．１ｍｍオーダのずれが発生しても、燃料電池の発電特性に悪影響が出るため、セパレータ相互の位置決め精度を確保することが重要である。

特に、セパレータとして金属薄板を用いることにより薄型化を狙うことが可能であるが、薄くすればするほど、金属材料の持つ柔軟性のため、外周部で位置決めピンなどにより位置決めをより確実に行う必要が出てくる。

このため、セパレータを薄くすることで、小型化を図り、体積出力密度を向上させようとしても、位置決めのために外周部にデッドスペースを多く要するようになってしまい、狙ったほどには小型化できないという問題がある。

また、位置決めが不充分であると、互いに相対し合う凸部同士の位置がずれるため、組立後のガス拡散電極とセパレータの凸部との間の面圧不均一による、トータルとしての接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性が悪化するという問題がある。

そこで、この発明は、燃料電池として小型化を達成しつつ、セパレータの位置決め精度を高めることを目的としている。

前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質の一方側に酸化剤極を、同他方側に燃料極をそれぞれ形成し、前記酸化剤極に対峙する面に酸化剤ガス流路を形成した酸化剤極側セパレータと、前記燃料極に対峙する面に燃料ガス流路を形成した燃料極側セパレータとをそれぞれ設けて単セルを構成し、この単セルを複数積層して構成した燃料電池において、前記互いに隣接する単セル相互間の前記酸化剤極側セパレータと前記燃料極側セパレータとの間に冷却水流路を形成し、この冷却水流路を形成する前記各セパレータ相互の接触部に、これら各セパレータの前記単セル積層方向と交差する方向の相対移動を規制する位置決め部を設けた構成としてある。

この発明によれば、互いに隣接する単セル相互間の酸化剤極側セパレータと燃料極側セパレータとの接触部に、単セルの積層方向と交差する方向の各セパレータの相対移動を規制する位置決め部を設けたので、位置決めのための外周部のデッドスペースの発生を防ぐことができ、また燃料電池として小型化を達成すべくセパレータを波形に形成しても、セパレータの位置決め精度を高めることができる。セパレータの位置決め精度を高めることで、組立後の電極とセパレータとの間の面圧が均一化し、トータルとしての接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性の悪化を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図であり、図２は、図１に示した燃料電池の全体構造を示す分解斜視図である。この燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１の両側に酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５とをそれぞれ配置して単セル６を構成し、この単セル６を多数積層してその両端にエンドプレート７，９を配置し、これらを締結ボルト１１で締結して燃料電池スタックを構成している。

ＭＥＡ１は、図１に示すように、固体高分子電解質膜１３の一方側に酸化剤極側ガス拡散電極１５を、同他方側に燃料極側ガス拡散電極１７を、ホットプレスなどの手段によりそれぞれ接合して構成している。これら各ガス拡散電極１５，１７は、従来の技術で説明したように、ガス拡散層と触媒層からなり、触媒が存在する面が固体高分子電解質膜１３に接する。

このような燃料電池スタックに対し、一方のエンドプレート７に燃料供給口１９，同排出口２１，酸化剤供給口２３，同排出口２５，冷却水供給口２７，同排出口２９を、それぞれ形成する。これら各供給口および排出口は、燃料電池スタック全体をその積層方向に貫通しており、各単セル６に対し、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水をそれぞれ供給し、また排出する。

上記した酸化剤極側および燃料極側の各セパレータ３および５は、ＳＵＳ１６Ｌ材の板厚０．１ｍｍの板材を、プレス成形にて所定の波形に成形した後、金メッキを施してあり、その全体の形状を斜視図として図３に示す。

そして、互いに隣接する単セル６相互間の酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５とは、波形による凹凸形状の凸部３ａ，５ａ同士、および凹部３ｂ，５ｂ同士を互いにそれぞれ対向して配置する。

これにより、一つの単セル６における酸化剤極側セパレータ３の凸部３ａとＭＥＡ１の酸化剤極側ガス拡散電極１５との間に、酸化剤ガス流路３１を形成するとともに、燃料極側セパレータ５の凸部５ａとＭＥＡ１の燃料極側ガス拡散電極１７との間に、燃料ガス流路３３を形成する。

一方、互いに隣接する単セル６相互間の酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５のそれぞれの凹部３ｂ，５ｂ相互の空間は、冷却水流路３５となる。

また、互いに隣接する単セル６相互間の酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５のそれぞれの凸部３ａ，５ａ同士の接触部は、一方の凸部５ａを凸曲面５ａ１とし、他方の凸部３ａを凹曲面３ａ１として、これら相互を整合させ、この整合部を、互いに隣接する単セル６相互間のセパレータ３，５相互の位置決め部としている。

さらに、上記各セパレータ３，５の凹部３ｂ，５ｂに対応してそれぞれの反対側の面に形成される凸部は、酸化剤極側ガス拡散電極１５，燃料極側ガス拡散電極１７にそれぞれ接触するが、この接触部を、それぞれ凸曲面３ｂ１，５ｂ１としている。そして、この各凸曲面３ｂ１，５ｂ１の曲率半径は０．８ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲に設定する。

また、各単セル６相互の酸化剤極側セパレータ３同士は、図１中で上部側の端部にて位置決めピン３７により連結して各単セル６相互間の位置決めを行うとともに、各単セル６相互の燃料極側セパレータ５同士は、図１中で下部側の端部にて位置決めピン３７により連結して各単セル６相互間の位置決めを行っている。

上記した構造の燃料電池によれば、互いに隣接する単セル６相互間の酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５ａとの相互の接触部に、これら各セパレータ３，５の単セル積層方向と交差する方向（ここでは複数の冷却水流路３５の図１中で上下の配列方向）の相対移動を規制する位置決め部を、互いに整合する凹曲面３ａ１，凸曲面５ａ１として設けている。

このため、互いに隣接する単セル６相互間の各セパレータ３，５相互を位置決めするための外周部のデッドスペースの発生を減少させることができ、また燃料電池として小型化を達成すべくセパレータ３，５を波形に形成しても、セパレータ３，５相互の位置決めが容易になるとともに、位置決め精度を高めることができる。

位置決め精度が高まることにより、組立後の酸化剤極側ガス拡散電極１５と酸化剤極側セパレータ３との間の面圧および、燃料極側ガス拡散電極１７と燃料極側セパレータ５との間の面圧がいずれも均一化し、各セパレータ３，５とＭＥＡ１とのトータルとしての接触抵抗の増大および、ガス配流のばらつきによる発電特性の悪化を防止することができる。

また、上記した位置決め部となっている酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５との互いの接触部を、凹曲面３ａ１と凸曲面５ａ１としているので、単に凸部同士を接触させた場合に比較して、酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５との接触面積を大きくすることができる。このため、酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５との間の接触抵抗が低減し、燃料電池としての発電効率向上に効果的である。

また、酸化剤極側ガス拡散電極１５に対する酸化剤極側セパレータ３の接触部を凸曲面３ｂ１とするとともに、燃料極側ガス拡散電極１７に対する燃料極側セパレータ５の接触部を凸曲面５ｂ１とし、かつこれら各凸曲面３ｂ１，５ｂ１の曲率半径を０．８ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲に設定したため、各セパレータ３，５と各ガス拡散電極１５，１７との接触抵抗を効果的に低減できる。

なお、上記した第１の実施形態では、各セパレータ３，５にステンレス鋼板を用いたが、以下に説明する他の実施形態も含め、各セパレータ３，５にカーボン材料なども適用することができる。

図４は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。この実施形態は、酸化剤極側セパレータ３の酸化剤極側ガス拡散電極１５に対する接触部を、平坦面３ｂ２とするとともに、燃料極側セパレータ５の燃料極側ガス拡散電極１７に対する接触部を、平坦面５ｂ２としている点が、第１の実施形態と異なる。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

この実施形態は、上記接触部を平坦面３ｂ２，５ｂ２とすることで、位置決め作業を行うに際して、第１の実施形態に比べて有利である。

図５は、この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。この実施形態は、互いに隣接する単セル６相互間における酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５のそれぞれの凸部３ａ，５ａ同士の接触部を、一方の凸部５ａを第１の実施形態と同様の凸曲面５ａ１とし、他方の凸部３ａも凸曲面３ａ２としている。

そして、上記凸曲面５ａ１の先端の中央に位置決め凸部５ｃを設ける一方、凸曲面３ａ２の先端の中央に、位置決め凸部５ｃが入り込む位置決め凹部３ｃを設けている。すなわち、これら位置決め凸部５ｃと位置決め凹部３ｃとで位置決め部を構成している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

この実施形態は、位置決め凸部５ｃを位置決め凹部３ｃに嵌合させることで、互いに隣接する単セル６相互間の各セパレータ３，５相互の位置決めを確実に行うことができる。

なお、上記した位置決め凸部５ｃは、半球面状のものを図５中で紙面に直交する方向に複数設けたり、あるいは図５中で紙面に直交する方向に連続するものとすることができ、この各形状に対応して位置決め凹部３ｃを形成する。

図６は、この発明の第４の実施形態による燃料電池の組立方法を示している。この実施形態による組立方法では、前記図１に示した第１の実施形態の構造の燃料電池を使用している。

そして、組立作業時の周囲温度を氷点下とした状態で、酸化剤極側セパレータ３と燃料極側セパレータ５との間に形成してある冷却水流路３５に、この冷却水流路３５の断面形状とほぼ同等の断面形状を備えた氷３９を収容している。

氷３９は、図７に示すように、長尺の棒状に形成してあり、これを例えば一方のセパレータ５の凹部５ｂに配置し、組立後には図６のように、冷却水流路３５に収容することで、セパレータ３，５相互の位置決めを行う。組立後の氷３９は溶けてなくなってしまうため、燃料電池使用時に不都合は生じない。

図８は、図７の氷３９より短い棒状の氷４１を使用する例を示し、図９は、球状の氷４３を多数使用する例を示す。

これらの各氷４１，４３を用いても図７のものと同様の効果を得ることができる。

また、図１０示すように、本発明の燃料電池を、燃料電池ユニット４５として自動車４７の小さな空間に搭載して動力源として使用することで、燃料電池自動車として燃費・エネルギ効率向上に貢献でき、同時にスタイリングの自由度を向上できる。

図１１は、比較例を示すもので、いずれも単に波形に形成した酸化剤極セパレータ３０および燃料極側セパレータ５０の互いに相対し合う凸部３０ａ，５０ａ同士を接触させる場合である。

この場合には、例えば図１２，図１３に示すように、凸部３０ａ，５０ａ同士が図中で上下方向に半ピッチずれたとすると、図１１で形成されている冷却水流路３５０が図１２のように殆どなくなってしまうとともに、図１３のように、各セパレータ３０と５０との間に挟まれているＭＥＡ１０が、３点曲げに近い荷重を受けるため、悪影響を受けるいった問題が発生してしまう。

この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。 図１の燃料電池の全体構造を示す分解斜視図である。 図１の燃料電池に使用するセパレータの全体の形状を示す斜視図である。 この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。 この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。 この発明の第４の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。 第４の実施形態における棒状の氷をセパレータの凹部に配置した状態を示す斜視図である。 図７の氷を短い棒状とした場合の斜視図である。 図７の氷を球状とした場合の斜視図である。 （ａ）は本発明の燃料電池を搭載する自動車の側面図、（ｂ）は同平面図である。 比較例による酸化剤極側セパレータと燃料極側セパレータとを互いに突き合わせた状態を示す断面図である。 図１１の各セパレータが互いに半ピッチずれた状態を示す断面図である。 図１１の各セパレータが互いに半ピッチずれた状態をＭＥＡとともに示す断面図である。

符号の説明

１ ＭＥＡ
３ 酸化剤極側セパレータ
３ａ１ 凹曲面（位置決め部）
３ｂ１ 酸化剤極側ガス拡散電極に接触する凸曲面
３ｃ 位置決め凹部
５ 燃料極側セパレータ
５ａ１ 凸曲面（位置決め部）
５ｂ１ 燃料極側ガス拡散電極に接触する凸曲面
５ｃ 位置決め凸部
６ 単セル
１３ 固体高分子電解質膜
１５ 酸化剤極側ガス拡散電極（酸化剤極）
１７ 燃料極側ガス拡散電極（燃料極）
３１ 酸化剤ガス流路
３３ 燃料ガス流路
３５ 冷却水流路
３９，４１，４３ 氷
４５ 燃料電池ユニット
４７ 自動車

Claims (9)

1. 固体電解質の一方側に酸化剤極を、同他方側に燃料極をそれぞれ形成し、前記酸化剤極に対峙する面に酸化剤ガス流路を形成した酸化剤極側セパレータと、前記燃料極に対峙する面に燃料ガス流路を形成した燃料極側セパレータとをそれぞれ設けて単セルを構成し、この単セルを複数積層して構成した燃料電池において、前記互いに隣接する単セル相互間の前記酸化剤極側セパレータと前記燃料極側セパレータとの間に冷却水流路を形成し、この冷却水流路を形成する前記各セパレータ相互の接触部に、これら各セパレータの前記単セル積層方向と交差する方向の相対移動を規制する位置決め部を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記各セパレータは、板材を波形に形成してその凹凸形状により、一方の面に前記酸化剤ガス流路または燃料ガス流路を、他方の面に前記冷却水流路をそれぞれ形成し、前記凹凸形状の凸部の前記酸化剤極または燃料極に対する接触部を、凸曲面としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記凸曲面の曲率半径を０．８ｍｍ〜４．５ｍｍとしたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記各セパレータは、板材を波形に形成してその凹凸形状により、一方の面に前記酸化剤ガス流路または燃料ガス流路を、他方の面に前記冷却水流路をそれぞれ形成し、前記互いに隣接する単セル相互間の前記酸化剤極側セパレータおよび前記燃料極側セパレータの前記凹凸形状の凸部同士の接触部を、一方を凸曲面、他方を凹曲面として、これらを前記位置決め部としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記各セパレータは、板材を波形に形成してその凹凸形状により、一方の面に前記酸化剤ガス流路または燃料ガス流路を、他方の面に前記冷却水流路をそれぞれ形成し、前記互いに隣接する単セル相互間の前記酸化剤極側セパレータおよび前記燃料極側セパレータの前記凹凸形状の凸部同士の接触部に、位置決め凸部とこの位置決め凸部が入り込む位置決め凹部とをそれぞれ設けて、これらを前記位置決め部としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記各セパレータは、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板をプレス成形して、前記酸化剤ガス流路，燃料ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１ないし５記載のいずれかに記載の燃料電池。
7. 固体電解質の一方側に酸化剤極を、同他方側に燃料極をそれぞれ形成し、前記酸化剤極に対峙する面に酸化剤ガス流路を形成した酸化剤極側セパレータと、前記燃料極に対峙する面に燃料ガス流路を形成した燃料極側セパレータとをそれぞれ設けて単セルを構成し、この単セルを複数積層して構成した燃料電池の組立方法において、前記各セパレータは、板材を波形に形成してその凹凸形状により、一方の面に前記酸化剤ガス流路または燃料ガス流路を、他方の面に前記冷却水流路をそれぞれ形成し、前記互いに隣接する単セル相互間の前記酸化剤極側セパレータおよび前記燃料極側セパレータの前記凹凸形状の凹部同士を対向配置してこの凹部相互間に前記冷却水流路を形成し、周囲温度を氷点下とした状態で、前記冷却水流路内に、冷却水流路の断面形状と同等の断面形状を備えた氷を収容して燃料電池の組立を行うことをことを特徴とする燃料電池の組立方法。
8. 前記各セパレータは、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板をプレス成形して、前記酸化剤ガス流路，燃料ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成したことを特徴とする請求項７記載の燃料電池の組立方法。
9. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池または、請求項７，８のいずれかに記載の燃料電池の組立方法で組み立てた燃料電池を動力源として搭載したことを特徴とする燃料電池自動車。

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