JP2006040770A - 燃料電池スタック、燃料電池システム及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電部の加圧が十分に行なわれる小型かつ軽量な燃料電池スタック、該燃料電池スタックを使用した燃料電池システム及び電子機器を提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック２は、積層された複数の燃料電池セル２０とエンドプレート２１とボルト２２とを備える。燃料電池セル２０の積層方向の両側は、強固なエンドプレート２１で挟まれて固定され、燃料電池セル２０の中心付近を貫通するように設けられた１つの貫通穴２３に３本のボルト２２が通り、３つのボルト２２は重心がエンドプレート２１の中心となる３ヶ所で締め付けられ、燃料電池セル２０に適正な加圧力を与える固定手段として機能する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック、該燃料電池スタックを使用した燃料電池システム及び電子機器に関する。

温暖化ガスの削減に代表される環境問題への対策の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池の開発が急ピッチで進められている。特に、固体電解質型燃料電池は低温作動や小型で高出力密度であることから研究開発が活発に進められている。

例えば、プロトン伝導型固体高分子電解質を使用した燃料電池は、プロトン伝導体である電解質膜をアノード（負極、燃料極）とカソード（正極、空気極）とで挟むように形成した接合体（MEA）を、さらに、アノード側とカソード側とにそれぞれ異なる燃料を供給する流路を設けたセパレータで挟持した燃料電池セルにより構成されている。アノード側では供給された水素から触媒作用により水素イオン(H⁺)と電子(e^-)とが発生し、電解質膜は水素イオン(H⁺)をカソード側へ伝搬し、カソード側では供給される酸素で水素イオン(H⁺)を酸化して水を生成する。通常、高い電力を得るため、燃料電池セルを複数個積層して電気的に直列に接続した燃料電池スタックが用いられる。

燃料電池スタックの集電効率を上げるためには電極、触媒及び電解質膜の界面を十分に形成し、燃料や生成物質等のシール性をよくするとともに、電極の領域付近を均一に加圧して接触抵抗を減らす必要がある。従来の燃料電池スタックでは、複数個積層された燃料電池単セルをエンドプレートにより挟み、電極外周の四隅のスペースをボルト等で締め付け、電極面内が均一に加圧されるように固定している。

電極外周にボルトを配置するスペースを設けると、燃料電池スタックが大型化する。セパレータやエンドプレートの中心付近の撓みを防ぐために接触抵抗を減らすために強固で厚いプレートを用いると、燃料電池スタックの小型化が困難である。また、厚いセパレータやエンドプレートにボルトを通す複数の穴を精度良く加工することは難しく、さらに、電極の外周に配置された複数のボルトを均一に締め付けて組付ける作業は困難である。さらに、多くのボルトを用いると燃料電池スタックの体積及び重量が増加する。

特許文献１には、燃料電池積層体を箱体に収容してバネで狭持した燃料電池スタックが提案されている。特許文献１では、ボルトを用いてないが、狭持する箱と板バネに高い精度が要求され、かつ、燃料の供給口を有する箱に高い強度が要求されるため、軽量化及び小型化は容易ではない。
特開２００３−１５１６１１号公報

本発明は、発電部の加圧が十分に行なわれる小型かつ軽量な燃料電池スタックを提供し、該燃料電池スタックを使用した燃料電池システム及び電子機器を提供することを目的とする。

この発明の燃料電池スタックは、電気的に直列接続して積層された複数の燃料電池セルの積層方向両側をエンドプレートで狭持した燃料電池スタックであって、燃料電池セルの電極を積層方向に貫通し、エンドプレートに対して燃料電池セルを挟む方向への圧力を加えて燃料電池セルを固定する固定手段を備える。

さらに、固定手段は、燃料電池セルの電極の面内において中心から外周までの距離の半分より中心側に重心を配置されているとよい。固定手段は、燃料電池セルの電極の中心を貫通するとよい。エンドプレートは、円形であるとよい。固定手段は、冷媒を供給する冷媒供給溝と冷媒を排出する冷媒排出溝とを有し、燃料電池セルは、冷媒供給溝から冷媒の供給を受け、冷媒排出溝から冷媒を排出するとよい。この発明の燃料電池システムは上記の燃料電池スタックから電気エネルギーを取り出す。この発明の電子機器は、上記の燃料電池システムを電源に備える。

請求項１に記載の燃料電池スタックによれば、小型化が図れるとともに、電極の締め付け強度を均一にして接触抵抗を均一にすることにより高い集電効率を得られ、締め付け強度の調整が容易となり生産効率を高めることができる。

請求項２に記載の燃料電池スタックによれば、より均一に燃料電池セルを加圧できる。請求項３に記載の燃料電池スタックによれば、さらに均一に燃料電池セルを加圧できる。請求項４に記載の燃料電池スタックによれば、さらに均一に燃料電池セルを加圧できる。請求項５に記載の燃料電池スタックによれば、熱の調整が困難な中央部の温度調整を容易に行うことができるとともに、小型化を図ることができる。

燃料電池システム１は、図１の構成図に示すように、燃料電池スタック２と動作制御部３と出力制御部４と分離回収部５とを備え、燃料電池スタック２から外部回路の負荷６に電気エネルギーを供給する。燃料電池スタック２は、図２（ａ）の側面図に示すように、積層された複数の燃料電池セル２０とエンドプレート２１とボルト２２とを備え、エンドプレート２１を集電板として燃料電池セル２０で発生した電気エネルギーを取り出す。

燃料電池セル２０の積層方向の両側は、強固なエンドプレート２１で挟まれて固定され、燃料電池セル２０の中心付近を貫通するように設けられた１つの貫通穴２３に３本のボルト２２が通り、３つのボルト２２は、図２（ｂ）の平面図に示すように、重心がエンドプレート２１の中心となる３ヶ所で締め付けられ、燃料電池セル２０に適正な加圧力を与える固定手段として機能する。ボルト２２は絶縁層で被覆されており、エンドプレート２１と各燃料電池セル２０との短絡を防いでいる。

エンドプレート２１及び燃料電池セル２０の周囲には積層方向を貫通するように、燃料を供給する燃料供給路２４と、燃料を排出する燃料排出路２５と、空気を供給する空気供給路２６と、空気を排出する空気排出路２７と、冷却水を供給する冷媒供給路２８と、冷却水を排出する冷媒排出路２９とが設けられている。燃料供給路２４と燃料排出路２５とが対角に配置され、空気供給路２６と空気排出路２７とが対角に配置され、燃料供給路２４と空気供給路２６との間に冷媒供給路２８が配置され、燃料排出路２５と空気排出路２７との間に冷媒排出路２９が配置されている。なお、燃料、空気、冷却水の供給及び排出は、エンドプレート２１及び燃料電池セル２０の積層方向に貫通した経路の他、側面等他の経路を通じて行ってもよい。

電気エネルギーを発生させる各燃料電池セル２０は、図３の分解された断面図に示すように接合体（ＭＥＡ）２１０と燃料極側セパレータ２２０と空気極側セパレータ２３０とシール材２４０とを有する。ＭＥＡ２１０は図４の斜視図に示すように、電解質膜２１１の両面には触媒及び電極として機能する燃料極２１２と空気極２１３とが積層されており、中心付近には３つのボルト２２を全て通す１つの穴が設けられている。燃料極２１２は微粒子状の白金を触媒に用いて水素分子(H₂)から水素イオン(H⁺)と電子(e^-)とを生成させる。電解質膜２１１は水分子を含有しながら燃料極２１２側から空気極２１３側に水素イオン（プロトン）を通過させ、空気極２１３は微粒子状の白金を触媒に用いて水素イオン(H⁺)と酸素(O₂)と電子(e^-)との間に酸化還元反応を発生させて水(H₂O)を生成する。

燃料極側セパレータ２２０及び空気極側セパレータ２３０は、ステンレス鋼等の導電性物質で形成されている。燃料極側セパレータ２２０は、燃料極２１２に接する面において図５（ａ）の斜視図に示すように燃料供給路２４から供給される燃料を燃料排出路２５へ案内する凹凸で形成される燃料流路２２１をもち、燃料極２１２と接しない面において図５（ｂ）の斜視図に示すように冷媒供給路２８から供給される冷媒としての冷却水を冷媒排出路２９に案内する冷却流路２２２をもつ。

空気極側セパレータ２３０は図６の斜視図に示すように空気極２１３に接する面に空気供給路２６から供給される空気を空気排出路２７へ案内する凹凸で形成される空気流路２３１をもつ。なお、燃料極側セパレータ２２０と空気極側セパレータ２３０とを一体に形成してもよく、冷却流路２２２は燃料極側セパレータ２２０と空気極側セパレータ２３０とのいずれに設けてもよく、それぞれの内部に設ける等の他の手段を用いてもよい。

シール材２４０は、燃料流路２２１及び空気流路２３１に供給される物質及び生成される物質等を外部に漏らさないように、燃料極側セパレータ２２０と電解質膜２１１との隙間及び空気極側セパレータ２３０と電解質膜２１１との隙間を埋めるように形成され、例えばガラス等の物質で燃料電池スタック組み立て後に加熱して溶融させることにより、燃料流路２２１及び空気流路２３１を囲うようにシールする。

積層された状態の燃料電池セル２０は、燃料極側セパレータ２２０と燃料極２１２とが接触し、空気極側セパレータ２３０と空気極２１３とが接触し、隣接する燃料極側セパレータ２２０と空気極側セパレータ２３０とが接触してそれぞれ電気的に接続されることにより、全体として複数の燃料電池セル２０が直列接続されており、両端のエンドプレート２１から電気エネルギーを取り出すことができる。

ボルト２２の位置を燃料極２１２及び空気極２１３の電極の中心を通るようにすることで、ＭＥＡ２１０の発電に利用できる発電領域において、ボルト２２の締め付け強度が均一で接触抵抗が均一となる領域が多くなり、高い集電効率を得ることができるとともに締め付け強度の調整が容易となり、生産効率が高まる。ボルト２２の位置をエンドプレート２１の中心付近に集約することにより、周囲に配置する場合よりも発電領域が減少することを防止することができ、燃料電池を小型化できるとともに、燃料電池セル２０の積層界面を均一に加圧することができ、接触抵抗を均一に制御できる。エンドプレート２１の面内においてボルト２２の重心が中央に来るように配置することによりエンドプレート２１に加えられる締め付け圧の均一性が保たれるとともに、周辺を締め付ける場合に生じるエンドプレート２１の撓みを防止して均等にＭＥＡ２１０を狭持できる。

なお、ボルト２２の配置は必要な強度が得られれば３点に限らず、２点あるいは４点等の任意の数でよく、エンドプレート２１の中心から外周までの距離の半分の範囲に配置すれば、発電領域を中心付近から外周付近まで均等に締め付けることができ、燃料漏れなく、接触抵抗も均一に小さくすることができるため集電効率が良く、締め付け圧の精度の良い燃料電池スタックを得ることができる。例えば、図７の側面図に示すように、１点で締め付けると発電領域をより均等に加圧でき、ボルト２２の数を少なくすることにより、生産を効率的に行うことができる。

エンドプレート２１は多角形や円形等様々な形態をとることができる。例えば、図８の平面図に示すようにエンドプレート７１を円形とすることにより、中心から外周までの距離が対称となり燃料電池スタック２を精度よく均一に狭持できる。円形のエンドプレート７１を用いる場合、ＭＥＡ２１０、燃料極側セパレータ２２０及び空気極側セパレータ２３０等の燃料電池セル２０の構成部材を円形とすることにより、発電領域の面圧を均一にして、安定した発電特性を得ることができる。

動作制御部３は、出力制御部４を制御することにより、燃料電池スタック２から外部に接続された負荷６への電気エネルギーの供給の開始及び停止、供給量等を制御する。出力制御部４は、燃料制御部４１と改質部４２と空気制御部４３と冷媒制御部４４とを備える。

燃料制御部４１は、タンクやパック等に収容されたエタノールを、動作制御部３から指示される供給量に応じて改質部４２に供給する。改質部４２は、燃料制御部４１から供給されるエタノールと水とを混合して加熱する水蒸気改質反応により水素ガスを発生させて燃料電池スタック２の燃料供給路２４に供給する。空気制御部４３は、周囲から取り入れた空気を、動作制御部３から指示される供給量に応じて燃料電池スタック２の空気供給路２６に供給する。

なお、燃料には、水素を含む気体燃料及び液体燃料を使用でき、例えば、水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコールなどの液体状燃料等を使用でき、体積エネルギー密度に優れる液体燃料等を用いることにより、燃料を収容する空間及び周辺機器を小型化できる。電極で酸化されやすいアルコールを燃料に使用することが好ましく、さらに、炭素数４以下のアルコールを使用することが好ましく、高い安全性及び生合成可能な点（環境面）からエタノールを使用することが好ましい。

図９の燃料電池セル２０の概念図に示すように、燃料供給路２４に供給された水素(H₂)は、各燃料電池セル２０の燃料流路２２１に流れ込み、燃料極２１２の触媒作用により反応式１で表されるように水素イオン(H⁺)と電子(e^-)とを発生させる。電子(e^-)は外部回路に接続された負荷を通じて空気極２１３へ流れるとともに、水素イオン(H⁺)は電解質膜２１１中を空気極２１３へ伝搬される。
H₂→2H⁺+2e^- …（反応式１）

空気供給路２６に供給された空気中の酸素(O₂)は、各燃料電池セル２０の空気流路２３１に流れ込み、空気極２１３側で酸化剤として働き電解質膜２１１を伝播された水素イオン(H⁺)及び外部回路の負荷６を通じて流れてくる電子(e^-)と反応して反応式２で表されるように水(H₂O)を生成する。
2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O …（反応式２）

燃料電池セル２０全体として、水素と酸素とから水が生成されて反応式３のような反応が生じている。
H₂+(1/2)O₂→H₂O …（反応式３）

燃料流路２２１を通過する余分な燃料や不純物等は、燃料排出路２５を通じて分離回収部５に排出され、空気流路２３１を通過する余分な空気、水や窒素酸化物等の副生成物等は、空気排出路２７を通じて分離回収部５に排出される。分離回収部５は、回収された気体を分離して保持または放出する。

冷媒制御部４４は、外部から供給される冷却水を燃料電池スタック２の冷媒供給路２８に供給する。冷媒供給路２８に供給された冷却水は、各燃料電池スタック２の冷却流路２２２に流れ込み、冷却水排出路２９を通じて外部に排出される。燃料電池セル２０は通常50〜100℃の範囲で運転しており、燃料供給を行ない発電が進んで発熱した燃料電池スタック２を冷却することにより、動作中の発電特性を安定化できる。

ここで、図１０のボルト７２の断面図に示すように、ボルト７２の長手方向に沿って冷媒供給溝７３と冷媒排出溝７４との２つの溝を設け、図１１の冷却流路７５の斜視図に示すように、ボルト７２が貫通する部分に切欠７６を設けて冷却流路７５にのみ冷却水が流れ込むようにするとよい。図１２の燃料電池スタック７７の概略の断面図に示すように、冷媒制御部４４から供給される冷却水を、ボルト７２を貫通させた燃料電池スタック７７の中央部から、冷媒供給溝７３を通じて冷却流路７５に供給し、冷却流路７５から冷媒排出溝７４を通じて排出するようにしてもよい。燃料電池セル同士が接触せず放熱しやすく温度制御が容易な燃料電池の両端部や外周部に対し、燃料電池セル同士が接触して畜熱されやすく容易に温度制御できない燃料電池セルの中央部から冷却水を流すことにより、燃料電池スタック７７を均一に温度制御しやすくなり、温度変動により発電特性が変動することを防止できる。さらに、ボルト７２の貫通穴を冷却に利用することにより燃料電池スタック７７を小型化できる。

以上説明したような燃料電池システムは、画像形成装置等の各種電子機器の電源として使用することができる。

燃料電池システムの構成図である。 燃料電池スタックの側面図及び平面図である。 燃料電池セルの断面図である。 ＭＥＡの斜視図である。 燃料極側セパレータの斜視図である。 空気極側セパレータの斜視図である。 １本のボルトを用いた燃料電池セルの側面図である。 円形のエンドプレートを用いた燃料電池セルの平面図である。 溝を設けたボルトの断面図である。 燃料電池セルの動作を表す概念図である。 ボルトから冷却水を供給する燃料電池セルの冷却流路の斜視図である。 ボルトから冷却水を供給する燃料電池スタックの断面図である。

符号の説明

１；燃料電池システム、２；燃料電池スタック、３；動作制御部、４；出力制御部、
５；分離回収部、６；負荷、２０；燃料電池セル、２１；エンドプレート、
２２；ボルト、２３；貫通穴、２４；燃料供給路、２５；燃料排出路、
２６；空気供給路、２７；空気排出路、２８；冷媒供給路、２９；冷媒排出路、
４１；燃料制御部、４２；改質部、４３；空気制御部、４４；冷媒制御部、
７１；エンドプレート、７２；ボルト、７３；冷媒供給溝、７４；冷媒排出溝、
７５；冷却流路、７６；切欠、７７；燃料電池スタック、２１０；接合体（ＭＥＡ）、
２１１；電解質膜、２１２；燃料極、２１３；空気極、２２０；燃料極側セパレータ、
２２１；燃料流路、２２２；冷却流路、２３０；空気極側セパレータ、
２３１；空気流路、２４０；シール材。

Claims (7)

1. 電気的に直列接続して積層された複数の燃料電池セルの積層方向両側をエンドプレートで狭持した燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池セルの電極を積層方向に貫通し、前記エンドプレートに対して前記燃料電池セルを挟む方向への圧力を加えて前記燃料電池セルを固定する固定手段を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記固定手段は、燃料電池セルの電極の面内において中心から外周までの距離の半分より中心側に重心を配置されている請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記固定手段は、燃料電池セルの電極の中心を貫通する請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記エンドプレートは、円形である請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 前記固定手段は、冷媒を供給する冷媒供給溝と冷媒を排出する冷媒排出溝とを有し、
   前記燃料電池セルは、前記冷媒供給溝から冷媒の供給を受け、前記冷媒排出溝から冷媒を排出する請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
6. 請求項１から請求項５に記載の燃料電池スタックから電気エネルギーを取り出す燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムを電源に備える電子機器。
   

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