JP2006092778A

JP2006092778A - 燃料電池の締付装置

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Publication number: JP2006092778A
Application number: JP2004273353A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Negami; 光弘根上; Yoshifumi Takai; 善文高井; Takeshi Ishikawa; 武史石川
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池を加圧装置により加圧して締め付け固定する際に、電極を均等に圧縮した状態で、電池スタックを締め付け、燃料電池の発電性能を安定させることを目的としている。
【解決手段】このため、単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状を備えている。また、平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池の締付装置に係り、特に燃料電池を加圧装置により加圧して締め付け固定する際に、電極を均等に圧縮した状態で、電池スタックを締め付け、燃料電池の発電性能を安定させることの可能な燃料電池の締付装置に関するものである。

近時、燃料極側に燃料を直接供給する燃料電池（「直接燃料供給型燃料電池」ともいう。）がある。この燃料電池は、単位電池（「単位セル電池」あるいは「単セル電池」ともいう。）を複数層積層して電池スタックを形成し、この電池スタックの上下部位をバインドプレート（「締付部材」ともいう。）によって挟み込んで形成される。

一般に、前記燃料電池、例えば単位電池１０４を１層として説明した場合の燃料電池１０２は、図６に示す如く、固体高分子膜１１２を基準とし、この固体高分子膜１１２の一側、例えば図６において上側に、燃料極側ガス拡散層１１４内の燃料極側電極１１６と、燃料極側ガス流路１１８を形成した燃料極側セパレータプレート１２０と、「−（マイナス）極」の燃料極側集電板１２２と、燃料極側バインドプレート（「締付部材」ともいう。）１０８とを有するとともに、前記固体高分子膜１１２の他側、例えば図６において下側には、空気極側ガス拡散層１２４内の空気極側電極１２６と、空気極側ガス流路１２８を形成した空気極側セパレータプレート１３０と、「＋（プラス）極」の空気極側集電板１３２と、空気極側バインドプレート１１０とを有している。

このとき、前記単位電池１０４は、固体高分子膜１１２と、この固体高分子膜１１２の一側である上側に位置する燃料極側電極１１６及び燃料極側セパレータプレート１２０と、前記固体高分子膜１１２の他側である下側に位置する空気極側電極１２６及び空気極側セパレータプレート１３０とからなる。

そして、前記単位電池１０４の燃料極側セパレータプレート１２０において、図７に示す如く、燃料極側ガス流路１１８は任意の形状に形成されるとともに、前記空気極側セパレータプレート１３０においても、上述した燃料極側ガス流路１１８と同様に、空気極側ガス流路１２８は任意の形状に形成される。

また、前記単位電池１０４の燃料極側電極１１６は、図７に示す如く、燃料極側ガス流路１１８と同等、あるいはやや小さめに形成され、前記単位電池１０４の空気極側電極１２６も、空気極側ガス流路１２８と同等、あるいはやや小さめに形成される。

なお、符号１８２は、前記燃料極側ガス流路１１８の燃料入口、１８４は燃料極側ガス流路１１８の燃料出口、１８６は前記空気極側ガス流路１２６の空気入口、１８８は空気極側ガス流路１２６の空気出口である。

そして、燃料ガスを供給するための前記燃料極側セパレータプレート１２０や空気ガスを供給するための空気極側セパレータプレート１３０、あるいは前記固体高分子膜１１２及び燃料極側ガス拡散層１１４内の燃料極側電極１１６、空気極側ガス拡散層１２４内の空気極側電極１２６のいずれか一方に図示しない反応触媒を坦持し、それらを一体化して前記単位電池１０４を形成している。

特開平４−９２３７０号公報特開平６−１３１００号公報特開平７−２６３００４号公報特開平１０−２１４６３４号公報特開２００２−２７０２００号公報特開２００３−２５７４４８号公報

ところで、従来の燃料電池の締付装置において、前記燃料極側セパレータプレートや空気極側セパレータプレート、あるいは前記固体高分子膜及び燃料極側ガス拡散層内の燃料極側電極、空気極側ガス拡散層内の空気極側電極のいずれか一方に図示しない反応触媒を坦持し、それらを一体化して前記単位電池を接合形成する際に、前記燃料極側電極および／または空気極側電極からのガスリークの防止、及び燃料極側電極と空気極側電極との絶縁を行う方策が施されている。

つまり、図８に示す如く、固体高分子膜１１２と燃料極側セパレータプレート１２０間、及び固体高分子膜１１２と空気極側セパレータプレート１３０間において、燃料極側セパレータプレート１２０及び空気極側セパレータプレート１３０の外周部位にシート状の燃料極側及び空気極側シール１９２、１９４を介設する第１の方策や、図９に示す如く、固体高分子膜１１２と燃料極側セパレータプレート１２０間、及び固体高分子膜１１２と空気極側セパレータプレート１３０間において、燃料極側セパレータプレート１２０及び空気極側セパレータプレート１３０の外周部位にＯ（オー）リング状の燃料極側及び空気極側シール１９６、１９８を介設する第２の方策があった。

通常の燃料極側セパレータプレート及び空気極側セパレータプレートは、燃料及び空気ガスを供給するための燃料極側及び空気極側ガス流路が設けられただけのものである。

そのため、燃料極側セパレータプレートと燃料極側電極、及び空気極側セパレータプレートと空気極側電極の接合時に加えられる荷重及びシールの材質や物性が燃料電池の性能に影響し、均等かつ適度に電極を圧縮することが困難であるという不都合がある。

追記すれば、上述の燃料極側セパレータプレートと燃料極側電極、及び空気極側セパレータプレートと空気極側電極の接合において、燃料極側電極及び空気極側電極が過剰圧縮されると、ガス供給不足や生成水残留が生じ、燃料電池の発電性能は不安定かつ低下するものである。

反対に、接合において圧縮不足となると、ガスリーク発生や抵抗上昇により発電性能が低下するものである。

また、発電性能に対する電極圧縮の影響は、単位電池を複数層積層して形成される電池スタックにおいて顕著に現れるものである。つまり、圧縮が均等かつ適度でない場合には、電池スタックを形成する単位電池のガス等配が困難となり、電池スタックの発電性能が不安定となり、低下するという不都合を惹起する。

よって、均等かつ適度に燃料極側電極及び空気極側電極を圧縮し、安定した発電が期待できる燃料電池を組付するための種々の改善が望まれていた。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、この平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状を備えていることを特徴とする。

また、単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、この平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状を備えていることを特徴とする。

以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、この平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状を備えていることにより、締付部材側側面を、単位電池の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状とした平板によって、電極を均等に圧縮した状態で、前記電池スタックを締め付けることができ、安定した発電性能を備えた燃料電池を実現することが可能である。

また、単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、この平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状を備えていることにより、締付部材側側面を、単位電池の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状とした平板によって、電極を均等に圧縮した状態で、前記電池スタックを締め付けることができ、安定した発電性能を備えた燃料電池を実現することが可能である。

上述の如く発明したことにより、燃料電池を加圧装置により加圧して締め付け固定する際には、加圧装置の上下の締付部材間に電池スタックを位置させるとともに、加圧装置と電池スタックの締付部材との間に締付部材側側面を単位電池の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状とした平板を位置させ、電池スタックを締付部材によって挟み込んだ後に、加圧装置によって電池スタックを加圧し、締め付け固定している。

また、燃料電池を加圧装置により加圧して締め付け固定する際には、加圧装置の上下の締付部材間に電池スタックを位置させるとともに、加圧装置と電池スタックの締付部材との間に締付部材側側面を単位電池の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状とした平板を位置させ、電池スタックを締付部材によって挟み込んだ後に、加圧装置によって電池スタックを加圧し、締め付け固定している。

以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図４はこの発明の第１実施例を示すものである。図１及び図２において、２は燃料電池である。

この燃料電池２は、単位電池（「単位セル電池」あるいは「単セル電池」ともいう。）４を複数層積層して電池スタック６を形成し、この電池スタック６の上下部位を燃料極側及び空気極側バインドプレートである燃料極側及び空気極側締付部材８、１０によって挟み込んで形成されるものである。

そして、例えば単位電池４を１層として説明した場合の前記燃料電池２は、図１及び図２に示す如く、固体高分子膜１２を基準とし、この固体高分子膜１２の一側、例えば図１及び図２において上側に、燃料極側ガス拡散層１４内の燃料極側電極１６と、燃料極側ガス流路１８を形成した燃料極側セパレータプレート２０と、「−（マイナス）極」の燃料極側集電板２２と、前記燃料極側締付部材８とを有するとともに、前記固体高分子膜１２の他側、例えば図１及び図２において下側には、空気極側ガス拡散層２４内の空気極側電極２６と、空気極側ガス流路２８を形成した空気極側セパレータプレート３０と、「＋（プラス）極」の空気極側集電板３２と、前記空気極側締付部材１０とを有している。

このとき、前記単位電池４は、固体高分子膜１２と、この固体高分子膜１２の一側である上側に位置する燃料極側電極１６及び燃料極側セパレータプレート２０と、前記固体高分子膜１２の他側である下側に位置する空気極側電極２６及び空気極側セパレータプレート３０とからなる。

そして、前記単位電池４の燃料極側セパレータプレート２０において、図１及び図２に示す如く、燃料極側ガス流路１８は任意の形状に形成されるとともに、前記空気極側セパレータプレート３０においても、上述した燃料極側ガス流路１８と同様に、空気極側ガス流路２８は任意の形状に形成される。

また、前記単位電池４の燃料極側電極１６は、燃料極側ガス流路１８と同等、あるいはやや小さめに形成され、前記単位電池４の空気極側電極２６も、空気極側ガス流路２８と同等、あるいはやや小さめに形成される。

そして、燃料ガスを供給するための前記燃料極側セパレータプレート２０や空気ガスを供給するための空気極側セパレータプレート３０、あるいは前記固体高分子膜１２及び燃料極側ガス拡散層１４内の燃料極側電極１６、空気極側ガス拡散層２４内の空気極側電極２６のいずれか一方に図示しない反応触媒を坦持し、それらを一体化して前記単位電池４を形成している。

更に、この単位電池４を複数層積層して形成された前記電池スタック６を、上下の締付部材である燃料極側及び空気極側締付部材８、１０によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する際に、加圧するためのプレス機からなる加圧装置３４と燃料極側及び空気極側締付部材８、１０との間に、燃料極側及び空気極側平板３６、３８を挟んで加圧して設けるとともに、この燃料極側及び空気極側平板３６、３８の締付部材側側面は、単位電池４の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状を備えている構成とする。

詳述すれば、前記電池スタック６を燃料極側及び空気極側締付部材８、１０によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する際には、図２に示す如く、加圧装置３４と燃料極側締付部材８との間に燃料極側平板３６を位置させるとともに、加圧装置３４と空気極側締付部材１０との間に空気極側平板３８を位置させ、加圧装置３４によって加圧するものである。

また、前記燃料極側平板３６の締付部材側側面３６ｆに、図１及び図２に示す如く、単位電池４の燃料極側電極１６の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状、且つ触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状の燃料極側凹部４０を設けるとともに、前記空気極側平板３８の締付部材側側面３８ｆには、単位電池４の空気極側電極２６の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状、且つ触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状の空気極側凹部４２を設ける。

つまり、前記単位電池４の燃料極側電極１６及び空気極側電極２６（図４参照）において、「触媒坦持領域」とは、前記燃料極側セパレータプレート２０や空気極側セパレータプレート３０の中心部位に形成される燃料極側ガス流路１８及び空気極側ガス流路２８と合致させるため、「触媒坦持領域と対向する領域」であるこの燃料極側ガス流路１８及び空気極側ガス流路２８と合致する部位を凹ませ、且つ触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状とし、図１〜図３に示す如く、燃料極側凹部４０及び空気極側凹部４２を形成し、前記燃料極側セパレータプレート２０や空気極側セパレータプレート３０の外周部位を「対向しない領域」としている。

次に作用を説明する。

前記燃料電池２を加圧装置３４により加圧して締め付け固定する際には、図２に示す如く、加圧装置３４の上下の燃料極側及び空気極側締付部材８、１０間に前記電池スタック６を位置させる。

このとき、前記加圧装置３４と電池スタック６の燃料極側締付部材８との間に、前記燃料極側凹部４０を有する燃料極側平板３６を位置させるとともに、加圧装置３４と電池スタック６の空気極側締付部材１０との間には、前記空気極側凹部４２を有する空気極側平板３８を位置させる。

そして、前記電池スタック６を燃料極側及び空気極側締付部材８、１０によって挟み込んだ後に、前記加圧装置３４によって電池スタック６を上下方向から加圧し、締め付け固定する。

これにより、締付部材側側面を、単位電池４の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状、且つ触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状、つまり燃料極側凹部４０及び空気極側凹部４２を形成した燃料極側及び空気極側平板３６、３８によって、電極を均等に圧縮した状態で、前記電池スタック６を締め付けることができ、安定した発電性能を備えた燃料電池を実現することが可能である。

図５はこの発明の第２実施例を示すものである。この第２実施例において、上述第１実施例のものと同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。

上述第１実施例においては、燃料極側及び空気極側平板３６、３８の締付部材側側面を、単位電池４の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状、且つ触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状、つまり締付部材側側面に燃料極側凹部４０及び空気極側凹部４２を形成する構成としたが、この第２実施例の特徴とするところは、上述第１実施例の燃料極側及び空気極側平板３６、３８の締付部材側側面に形成した燃料極側凹部４０及び空気極側凹部４２の代わりに、燃料極及び空気極側平板５２、５４の締付部材側側面に燃料極側及び空気極側貫通孔部５６、５８を形成した点にある。

すなわち、平板である燃料極及び空気極側平板５２、５４に、単位電池４の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状、つまり燃料極及び空気極側平板５２、５４の中心部位を切除するとともに、外周部位のみを残し、燃料極及び空気極側平板５２、５４の締付部材側側面から他側である加圧装置側側面まで貫通する燃料極側及び空気極側貫通孔部５６、５８を形成するものである。

さすれば、前記燃料電池２を加圧装置３４により加圧して締め付け固定する際に、図５に示す如く、加圧装置３４の上下の燃料極側及び空気極側締付部材８、１０間に前記電池スタック６を位置させ、前記加圧装置３４と電池スタック６の燃料極側締付部材８との間に、前記燃料極側貫通孔部５６を有する燃料極側平板５２を位置させるとともに、加圧装置３４と電池スタック６の空気極側締付部材１０との間には、前記空気極側貫通孔部５８を有する空気極側平板５４を位置させ、前記電池スタック６を燃料極側及び空気極側締付部材８、１０によって挟み込んだ後に、前記加圧装置３４によって電池スタック６を上下方向から加圧し、締め付け固定することにより、燃料極側及び空気極側貫通孔部５６、５８を形成した燃料極側及び空気極側平板５２、５４によって、上述第１実施例のものと同様に、電極を均等に圧縮した状態で、前記電池スタック６を締め付けることができ、安定した発電性能を備えた燃料電池を実現することが可能である。

この発明の第１実施例を示す加圧時の燃料電池の概略断面図である。加圧作業状態を示す概略断面図である。平板の平面図である。単位電池の電極部分の平面図である。この発明の第２実施例を示す加圧時の燃料電池の概略断面図である。この発明の従来技術を示す燃料電池の概略断面図である。燃料極側セパレータプレートの概略平面図である。単位電池の第１の方策によるシート状の燃料極側及び空気極側シールを介設した状態の概略断面図である。単位電池の第２の方策によるＯ（オー）リング状の燃料極側及び空気極側シールを介設した状態の概略断面図である。

符号の説明

２燃料電池
４単位電池（「単位セル電池」あるいは「単セル電池」ともいう。）
６電池スタック
８燃料極側締付部材
１０空気極側締付部材
１２固体高分子膜
１４燃料極側ガス拡散層
１６燃料極側電極
１８燃料極側ガス流路
２０燃料極側セパレータプレート
２２「−（マイナス）極」の燃料極側集電板
２４空気極側ガス拡散層
２６空気極側電極
２８空気極側ガス流路
３０空気極側セパレータプレート
３２「＋（プラス）極」の空気極側集電板
３４加圧装置
３６燃料極側平板
３６ｆ締付部材側側面
３８空気極側平板
３８ｆ締付部材側側面
４０燃料極側凹部
４２空気極側凹部

Claims

単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、この平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域と対向する領域が対向しない領域より凹んだ形状を備えていることを特徴とする燃料電池の締付装置。
単位電池を複数層積層して形成された電池スタックを、上下の締付部材によって挟み込んだ後、加圧した状態で締め付け固定する燃料電池の締付装置において、加圧するための加圧装置と締付部材との間に、平板を挟んで加圧して設けるとともに、この平板の締付部材側側面は、単位電池の電極の触媒坦持領域が直接加圧されないロ字状形状を備えていることを特徴とする燃料電池の締付装置。