JP2008293953A - 燃料電池用スタック - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの縦横比が増加しても発電部の密着力が低下しない燃料電池用スタックを提供する。
【解決手段】燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電部１１０と、発電部を締結させる締結部材１６０を含み、発電部は、膜−電極接合体１３０と、膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置されて膜−電極接合体との対向面にチャンネル１４１が形成されたセパレータ１４０を含み、締結部材は、セパレータの中心を貫く第１締結部材１６７と、チャンネルの周縁領域を貫く第２締結部材１６５、１６６を含み、第２締結部材は、第１締結部材を中心として互いに対向するように配置されて少なくとも１つ以上の対をなし、セパレータ上で対をなす第２締結部材の間の横長さがＬ１であり、セパレータ上で対をなす第２締結部材の間の縦長さがＬ２であり、セパレータの縦横比（Ｌ１／Ｌ２）は１〜４の範囲に属する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料と酸化剤の電気化学反応によって電気を生成する燃料電池用スタックに関し、より詳しくは、電気化学反応が行われる発電部とエンドプレートの締結構造を改善した燃料電池用スタックに関する。

燃料電池は、燃料の酸化反応、およびこの燃料と別途の酸化剤ガスの還元反応によって電気エネルギーを発生させる発電装置である。燃料電池は、燃料の種類によって高分子電解質型燃料電池、直接酸化型燃料電池に区分される。

高分子電解質型燃料電池は、液体燃料またはガス燃料から改質された改質ガス、および空気のような酸化剤ガスの供給を受け、改質ガスの酸化反応と酸化剤ガスの還元反応によって電気エネルギーを発生させる。このような高分子電解質型燃料電池は、他の燃料電池に比べて出力特性が卓越し、作動温度が低く、速い始動および応答特性を有する。そのため、高分子電解質型燃料電池は、自動車用途の移動体電源、建物用途の分散電源、および電子機器用途の小型電源として幅広く使用されている。

直接酸化型燃料電池は、液体燃料および空気の供給を受けて、燃料の酸化反応と酸化剤ガスの還元反応によって電気エネルギーを発生させる。

このような燃料電池は、電気エネルギーを生成する最小単位（単位セル）である発電部を備える。発電部は、膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡと称する）、ＭＥＡを間においてその両側に備えられるセパレータ、およびＭＥＡの周縁に位置して一対のセパレータの間の空間を密封するガスケットを含む。そして、発電部は、数個〜数十個で連続的に配列されることによって、一つのスタックを構成する。

このような燃料電池用スタックは、一般に長辺と短辺を有する四角平面形状である。また、燃料電池用スタックは、締結部材によって発電部を互いに結合させるが、締結部材は一般に四角平面形状の各コーナーに位置する。

従来技術の燃料電池用スタックは、横長さが縦長さに比べて相対的に増加するほど、締結部材の締結力をより高くしなければならない。しかし、燃料電池用スタックでは、各コーナーで締結力が高くなると、相対的に中心領域で単位セルの密着力が低下して電気出力が低下するという問題が生じる。

そのため、従来技術の燃料電池用スタックでは、横長さが縦長さに比べて相対的に増加するほど、それぞれのコーナーに沿って複数個の締結部材がさらに設けられる。しかし、このような燃料電池用スタックでは、平面形状の広さが増加すると、小型化が難しくなるという問題が生じる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スタックの内部中心領域に締結部材を追加設置することによって、スタックの縦横比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）が増加しても発電部の密着力が低下しない燃料電池用スタックを提供することである。

また、本発明の他の目的は、スタックの縦横比と締結部材の締結力を最適に調整することによって、従来技術に比べてスタックの小型化および薄型化が可能な燃料電池用スタックを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電部と、発電部を締結させる締結部材を含み、発電部は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置されて膜−電極接合体との対向面にチャンネルが形成されたセパレータを含み、締結部材は、セパレータの中心を貫く第１締結部材と、チャンネルの周縁領域を貫く第２締結部材を含み、第２締結部材は、第１締結部材を中心として互いに対向するように配置されて少なくとも１つ以上の対をなし、セパレータ上で対をなす第２締結部材の間の横長さがＬ１であり、セパレータ上で対をなす第２締結部材の間の縦長さがＬ２であり、セパレータの縦横比（Ｌ１／Ｌ２）は１〜４の範囲に属することを特徴とする、燃料電池用スタックが提供される。

また、上記第１締結部材のトルク締結力がＴ１であり、第２締結部材のトルク締結力がＴ２であり、締結部材のトルク締結力比（Ｔ１／Ｔ２）は１.５〜５の範囲に属するようにしてもよい。

また、上記セパレータの縦横比（Ｌ１／Ｌ２）は３であり、締結部材のトルク締結力比（Ｔ１／Ｔ２）は３.５〜４.５の範囲に属してもよい。

また、上記セパレータ上で第１締結部材と第２締結部材の間の横長さ（Ｃ１）は、対をなす第２締結部材の間の横長さ（Ｌ１）の半分であり、セパレータ上で第１締結部材と第２締結部材の間の縦長さ（Ｃ２）は、対をなす第２締結部材の間の縦長さ（Ｌ２）の半分でもよい。

また、上記締結部材は、発電部を貫くボルトと、ボルトを固定するナットからなるようにしてもよい。

また、上記第１締結部材のボルト直径は、第２締結部材のボルト直径に比べて大きくしてもよい。

また、上記対をなす第２締結部材は、相互に同一の規格を有する部材であるようにしてもよい。

また、上記対をなす第２締結部材は、各々に複数個の締結部材からなるようにしてもよい。

また、上記セパレータは四角平面形状を有し、第２締結部材は、セパレータの各コーナー領域にそれぞれ位置するようにしてもよい。

また、上記発電部は、複数個で順次に積層されて、発電部集合体として形成されるようにしてもよい。

また、上記発電部集合体の最外側端部に位置し、発電部集合体に締結されるエンドプレートをさらに含むようにしてもよい。

また、上記エンドプレートには第１締結部材および第２締結部材が位置する領域に対応して貫通孔が形成され、エンドプレートと発電部集合体は、第１締結部材および第２締結部材によって互いに締結されるようにしてもよい。

また、上記対をなす第２締結部材は、各々に複数個の締結部材からなるようにしてもよい。

また、上記エンドプレートは四角平面形状を有し、第２締結部材は、エンドプレートの各コーナー領域にそれぞれ位置するようにしてもよい。

本発明によれば、内部中心領域に締結部材を追加設置することにより、スタックの縦横比が増加しても発電部の密着力が低下しない燃料電池用スタックを提供することができる。

また、スタックの縦横比と締結部材のトルク締結力比を最適に調整することにより、従来技術と同一のスタック形状において、締結部材の低減およびエンドプレートの薄型化により、スタックの小型化が可能な燃料電池用スタックを提供することができる。

以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池用スタックの分解斜視図である。

図１に示されているように、本実施形態の燃料電池用スタック１００は、燃料と酸化剤の供給を受けて、燃料の酸化反応と酸化剤ガスの還元反応によって電気エネルギーを発生させる発電部１１０を含む。ここで、燃料にはメタノール、エタノールのようなアルコール系燃料が用いられ、酸化剤ガスには一般に空気が用いられる。発電部１１０は、電気を発生させる最小単位として‘単位セル’とも称される。燃料電池用スタック１００は、連続的に配列された複数個の発電部１１０からなる集合体である。そして、燃料電池用スタック１００は、発電部集合体の最外側に結合されるエンドプレート１５０と、発電部１１０とエンドプレート１５０を互いに結合させる締結部材１６０とをさらに含む。一例として、締結部材１６０は、ボルトとナット１７０を含むことができる。

発電部１１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ）１３０と、ＭＥＡ１３０の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１２０、１４０を含む。ＭＥＡ１３０は、電解質高分子膜の両面にそれぞれ付着されたカソード電極およびアノード電極を含む。アノード電極は、燃料を酸化反応させて、電子と水素イオンとに分離させる。そして、電解質膜は水素イオンをカソード電極に移動させ、カソード電極は水素イオンを酸化剤ガスと還元反応させる。

セパレータ１２０、１４０はプレート形状である。第１セパレータ１２０はカソード分離板であって、ＭＥＡ１３０のカソード電極側に対向する一面にチャンネルが形成される。第２セパレータ１４０はアノード分離板であって、ＭＥＡ１３０のアノード電極側に対向する一面にチャンネルが形成される。第１セパレータ１２０および第２セパレータ１４０は、同一な形状であるので、以下、第２セパレータ１４０についてのみ説明する。

図２は、図１に示すセパレータの斜視図である。

図２に示されているように、第２セパレータ１４０は、好ましくは長辺と短辺を有する四角平面形状を有するプレートである。第２セパレータ１４０は、その一面にチャンネル１４１が形成され、このチャンネル１４１に沿って燃料が流動する。チャンネル１４１が形成される領域は点線領域１４２であり、図１に示すＭＥＡ１３０と対面する領域である。第２セパレータ１４０には、チャンネル１４１が形成される領域の外側に第１マニホールド１４３が貫通するように形成される。燃料電池用スタック１００は、複数個のセパレータ１２０、１４０が積層された構造であるため、第１マニホールド１４３は、流路として機能する。第１マニホールド１４３は、複数個で形成されてもよいが、本実施形態では、燃料が流入する入口側マニホールドと、未反応の燃料が排出される出口側マニホールドが形成される。第２セパレータ１４０には第２マニホールド１４４が形成される。第２マニホールド１４４は、第１セパレータ１２０に流入する酸化剤の流路として機能する。

第２セパレータ１４０には締結部材１６０を挿入するための締結孔１４５、１４６、１４７、１４８、１４９がそれぞれ形成される。第１締結孔１４７は第２セパレータ１４０の中心に位置し、第２締結孔１４５、１４６、１４８、１４９はチャンネル１４１が形成される領域１４２の外側周縁領域にそれぞれ位置する。

第２締結孔１４５、１４６は第１締結孔１４７を中心として互いに対向するように対をなしており、一対の第２締結孔１４５、１４６は、各々に複数個の締結孔からなることもできる。しかし、本実施形態では、第２セパレータ１４０は、四角のコーナー領域に位置する４個の第２締結孔１４５、１４６、１４８、１４９を備える。

また、図１を参照して説明すれば、発電部１１０は複数個が積層された集合体として形成され、エンドプレート１５０は発電部集合体の最外側端部にそれぞれ位置する。エンドプレート１５０は、発電部１１０を保護するための部材であって、発電部１１０のセパレータ１２０、１４０に対応する平面領域を有する。エンドプレート１５０は、締結部材１６０によって発電部１１０と一体的に締結される。エンドプレート１５０には第２セパレータ１４０の第１締結孔１４７に対応する第３締結孔が中心に位置する。そして、エンドプレート１５０には第２セパレータ１４０の第２締結孔１４５、１４６、１４８、１４９に対応する第４締結孔が周縁領域に位置する。そして、エンドプレート１５０には第２セパレータ１４０の第１マニホールド１４３に対応する燃料孔１５３が形成され、燃料孔１５３を通じて燃料が発電部１１０に供給される。エンドプレート１５０には第２マニホールド１４４に対応する酸化剤孔１５４が形成され、酸化剤孔１５４を通じて酸化剤ガスが発電部１１０に供給される。

締結部材１６０は、発電部１１０とエンドプレート１５０を互いに締結させる。締結部材１６０は、発電部１１０を貫くボルトと、ボルトを固定するナットからなる。このような締結部材１６０は、第１締結孔１４７と第３締結孔に挿入される第１締結部材１６７と、第２締結孔１４５、１４６、１４８、１４９と第４締結孔に挿入される第２締結部材１６５、１６６を含む。つまり、第１締結部材１６７は、第２セパレータ１４０の中心とＭＥＡ１３０の貫通孔１３１を貫き、第２締結部材１６５、１６６は第２セパレータ１４０の周縁領域を貫く。第２締結部材１６５、１６６は、第１締結部材１６７を中心にして互いに対向するように対をなすように配置される。一対の第２締結部材１６５、１６６は、相互に同一の規格を有する部材であり、例えば正偶数角形の各コーナーまたは中心を通る対角線上など、複数対をなすように配置されてもよい。

第１締結部材１６７のボルト直径は、第２締結部材１６５、１６６のボルト直径に比べて大きく、第１締結部材１６７は第２締結部材１６５、１６６に比べて大きなトルク締結力で加圧される。従って、発電部１１０とエンドプレート１５０の中心領域と周縁領域は、比較的に偏差の少ない締結力で加圧されることができる。

以下、締結部材１６０の締結位置とトルク締結力との相関関係についてより詳しく説明する。

発電部１１０の第１セパレータ１２０、第２セパレータ１４０、エンドプレート１５０は、連続的に配列された構造であり、締結部材１６０は同一平面上に位置する。従って、以下では、第２セパレータ１４０の平面上で締結部材１６０の締結位置およびトルク締結力について説明する。

図３は、図２に示すセパレータの平面図である。

図２および図３に示されているように、第２セパレータ１４０は、長辺と短辺を有する四角平面形状であって、長辺方向が横の長さとして定義され、短辺方向が縦の長さとして定義される。第２セパレータ１４０の第１締結孔１４７には第１締結部材１６７が位置し、第２締結孔１４５、１４６には一対の第２締結部材１６５、１６６がそれぞれ位置する。

一対の第２締結部材１６５、１６６に対する横長さは、図３でＬ１として示す。一対の第２締結部材１６５、１６６に対する縦長さは、図３でＬ２として示す。また、第１締結部材１６７と第２締結部材１６５に対する横長さは、図３でＣ１として示す。第１締結部材１６７と第２締結部材１６５に対する縦長さは、図３でＣ２として示す。第１締結部材１６７と一対の第２締結部材１６５、１６６は、均一な締結力が伝達されるようにＣ１がＬ１の半分となり、Ｃ２がＬ２の半分となる関係を有する。

本実施形態において、第１セパレータ１２０、第２セパレータ１４０、エンドプレート（図１の１５０）の横長さが互いに実質的に同一であり、これらの縦長さもまた互いに実質的に同一である。しかし、これらの縦横比が互いに同一であることもできる。ここで、縦横比とは、縦長さに対する横長さの比率である。

燃料電池用スタック１００の縦横比は、第２セパレータ１４０の縦横比として定義することができる。

前述したように、本実施形態において、第１締結部材１６７は、第２セパレータ１４０の実質的な中心に位置し、一対の第２締結部材１６５、１６６は、第１締結部材１６７を中心として相互対称に位置するので、第２セパレータ１４０の縦横比は第２締結部材１６５，１６６の縦方向の距離（Ｌ２）に対する横方向の距離の比（Ｌ１）と同一である。つまり、燃料電池用スタック１００の縦横比はＬ１／Ｌ２として定義することができる。

図４は、図１に示す燃料電池用スタックの縦横比とトルク締結力との相関関係を示すグラフである。

図４に示されているように、本実施形態の燃料電池用スタック１００の縦横比は１〜４の範囲に属する。

燃料電池用スタック１００の縦横比が１未満であれば、横長さ（Ｌ１）と縦長さ（Ｌ２）が相互に交替された状態である。燃料電池用スタック１００の縦横比が４を超えれば、横方向で第１締結部材１６７と第２締結部材１６５、１６６との間隔が広くなって、均一な締結力が伝達されなくなる。

つまり、本実施形態では第２セパレータ１４０の中心に第１締結部材１６７を締結して、燃料電池スタック１００の縦横比を制限することにより、燃料電池スタック１００において締結力を均一に伝達させることができる。また、本実施形態では締結部材１６０の個数を最小化することにより、スタックの小型化および薄型化を実現することができる。

また、本実施形態では第１締結部材１６７および第２締結部材１６５、１６６が第２セパレータ１４０の中心および周縁で次のような締結トルク力でそれぞれ締結されるようにして、燃料電池スタック１００全体にわたってより均一な締結力が伝達されるようにする。

第１締結部材１６７のトルク締結力をＴ１で示し、第２締結部材１６５、１６６のトルク締結力をＴ２で示す。燃料電池用スタック１００の縦横比の範囲が前述の条件を満足する場合、第１締結部材１６７と第２締結部材１６５、１６６のトルク締結力比（Ｔ１／Ｔ２）は、１.５〜５の範囲に属することが好ましい。つまり、締結部材１６０のトルク締結力比が１.５未満であれば、第１締結部材１６７のトルク締結力が相対的に低くなり、燃料電池用スタック１００では、中心領域の締結力が不足するという問題が生じる。締結部材１６０のトルク締結力比が５を超えれば、第１締結部材１６７のトルク締結力が相対的に高くなり、燃料電池用スタック１００では、内部中心領域で過度な締結力が伝達されるという問題が生じる。

条件を変えて実験した結果、燃料電池用スタック１００の縦横比が３であれば、締結部材１６０のトルク締結力比が３.５〜４.５の範囲に属することが好ましいことが判明した。この条件において燃料電池用スタック１００では、接触抵抗が低くて比較的偏差の少ない締結力が伝達された。

図５は、図４に示す締結部材のトルク締結力についての実験結果を示した図表である。図５は、燃料電池用スタック１００の縦横比が３である場合に、トルク締結力比を変化させて実験した結果である。

図５に示されているように、条件１はトルク締結力比が１であり、この条件でのテスト結果は、セパレータの内部中心領域に対する接触抵抗が低くならなかった。この場合、第１締結部材１６７のトルク締結力が相対的に低くて、満足な結果を得ることができなかった。

条件２はトルク締結力比が２であり、この条件でのテスト結果は、条件１に比べて接触抵抗が低くなって改善した。条件３はトルク締結力比が４であり、この条件でのテスト結果は、条件１および条件２に比べてセパレータの接触抵抗が比較的均一となった。このように条件２および条件３は、本実施形態で提示したトルク締結力比の条件範囲内に含まれている。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態による燃料電池用スタックの分解斜視図である。 図１に示すセパレータの斜視図である。 図２に示すセパレータの平面図である。 図１に示す燃料電池用スタックの縦横比とトルク締結力との相関関係を示すグラフである。 図４に示す締結部材のトルク締結力についての実験結果を示す図表である。

符号の説明

１００ 燃料電池用スタック
１１０ 発電部
１２０、１４０ セパレータ
１３０ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１５０ エンドプレート
１６０ 締結部材

Claims (14)

1. 燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電部と、前記発電部を締結させる締結部材を含み、
   前記発電部は、膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置されて前記膜−電極接合体との対向面にチャンネルが形成されたセパレータを含み、
   前記締結部材は、前記セパレータの中心を貫く第１締結部材と、前記チャンネルの周縁領域を貫く第２締結部材を含み、
   前記第２締結部材は、前記第１締結部材を中心として互いに対向するように配置されて少なくとも１つ以上の対をなし、
   前記セパレータ上で前記対をなす第２締結部材の間の横長さがＬ１であり、前記セパレータ上で前記対をなす第２締結部材の間の縦長さがＬ２であり、前記セパレータの縦横比（Ｌ１／Ｌ２）は１〜４の範囲に属することを特徴とする、燃料電池用スタック。
2. 前記第１締結部材のトルク締結力がＴ１であり、前記第２締結部材のトルク締結力がＴ２であり、前記締結部材のトルク締結力比（Ｔ１／Ｔ２）は１.５〜５の範囲に属することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用スタック。
3. 前記セパレータの縦横比（Ｌ１／Ｌ２）は３であり、前記締結部材のトルク締結力比（Ｔ１／Ｔ２）は３.５〜４.５の範囲に属することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用スタック。
4. 前記セパレータ上で前記第１締結部材と前記第２締結部材の間の横長さ（Ｃ１）は、前記対をなす第２締結部材の間の横長さ（Ｌ１）の半分であり、
   前記セパレータ上で前記第１締結部材と前記第２締結部材の間の縦長さ（Ｃ２）は、前記対をなす第２締結部材の間の縦長さ（Ｌ２）の半分であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用スタック。
5. 前記締結部材は、前記発電部を貫くボルトと、前記ボルトを固定するナットからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用スタック。
6. 前記第１締結部材のボルト直径は、前記第２締結部材のボルト直径に比べて大きいことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用スタック。
7. 前記対をなす第２締結部材は、相互に同一の規格を有する部材であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用スタック。
8. 前記対をなす第２締結部材は、各々に複数個の締結部材からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用スタック。
9. 前記セパレータは四角平面形状を有し、
   前記第２締結部材は、前記セパレータの各コーナー領域にそれぞれ位置することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用スタック。
10. 前記発電部は、複数個で順次に積層されて、発電部集合体として形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用スタック。
11. 前記発電部集合体の最外側端部に位置し、前記発電部集合体に締結されるエンドプレートをさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池用スタック。
12. 前記エンドプレートには前記第１締結部材および前記第２締結部材が位置する領域に対応して貫通孔が形成され、
    前記エンドプレートと前記発電部集合体は、前記第１締結部材および前記第２締結部材によって互いに締結されることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用スタック。
13. 前記対をなす第２締結部材は、各々に複数個の締結部材からなることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池用スタック。
14. 前記エンドプレートは四角平面形状を有し、
    前記第２締結部材は、前記エンドプレートの各コーナー領域にそれぞれ位置することを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池用スタック。

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