JP2009224042A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単セル積層方向両側からセルスタックに加えられた所定の面圧を維持する。
【解決手段】燃料電池１００は、複数の単セル１５０が積層するセルスタックの端部に、断熱性を有するエンドセル５０を備える。エンドセル５０は、セルスタックの、単セル１５０積層方向の寸法の変動を吸収し、セルスタックの、単セル１５０積層方向両側からの面圧を維持する寸法変動吸収部材を備える。エンドセル５０は、断熱性を有することにより、単セル１５０の積層端部の温度低下を抑制することも可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル（燃料電池単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図３に例示するように、空気極触媒層１２（空気極またはカソード触媒層とも称する）と燃料極触媒層１４（燃料極またはアノード触媒層とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、空気極触媒層１２の外側には空気極拡散層１６が、燃料極触媒層１４の外側には燃料極拡散層１８が、それぞれ設けられている。さらに、空気極拡散層１６の外側には、酸化剤ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成された空気極側セパレータ２６が、燃料極拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成された燃料極側セパレータ２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル１５０が形成される。

得られた単セル１５０を複数枚積層させることにより、所望の発電性能を獲得することが可能となる。図４に例示するように、積層した単セル１５０の積層端をそれぞれ集電板５２，５４で挟み込み、さらにその外側に絶縁板５６，５８およびエンドプレート６０，６２で順に挟持して、その外側から例えば図示しないボルト等による締結などの方法により全体を積層方向に押圧保持し、固定され、燃料電池（燃料電池スタック）５００が構成される。

燃料電池は一般に、空気極触媒層１２に酸素ガスや空気等の酸化剤ガスを、燃料極触媒層１４に水素ガスや改質ガス等の燃料ガスを、図４に示す各反応ガス供給マニホールド９２からそれぞれ独立して供給し、発電する。このような燃料電池は一般に、発電時には化学反応に伴う熱を発生するが、安定した発電を維持するためには例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御することが必要である。このため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体（冷媒）を各単セルに設けられたセル冷媒流路２２に流通させて燃料電池の過熱を防止している。このように燃料極および空気極を含む電極部分において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能する。このとき、電池性能の安定化のために、積層させた単セル１５０を一様に押圧挟持し、その面圧を維持させることが好適である。

例えば特許文献１，２には、燃料電池スタックの両端に弾性を有する断熱材を配置し、スタック全体にわたり均一に締め付ける技術について記載されている。

また、特許文献３には、燃料電池スタックを皿バネとともに断熱容器内に収容して、断熱容器に固定する断熱蓋により燃料電池スタックを積層方向に加圧する技術について記載されている。

特許文献４には、エンドプレートの内側部および外側部のそれぞれとの間に、個別のばね要素を設けて、積層した複数の単セルを押さえ付ける技術について記載されている。

特許文献５には、発電に寄与しないダミーセルをセルスタックの端部に備え、このダミーセルの内部に発泡剤を充填した断熱部を設け、放熱を抑制する技術について記載されている。

特開平５−２２５９９７号公報 特開平１０−３２０１６号公報 特開２００７−１８８５５号公報 特開２００４−３３５３３６号公報 特開２００６−３３２００６号公報

本発明は、簡便な構成により、セルスタックに加えられた所定の面圧を維持することが可能となる燃料電池を提供する。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）複数の単セルが積層するセルスタックの端部に断熱性を有するエンドセルを備え、前記エンドセルが、前記セルスタックの、単セル積層方向の寸法の変動を吸収し、前記セルスタックの、単セル積層方向両側からの面圧を維持する寸法変動吸収部材を備える、燃料電池。

（２）上記（１）に記載の燃料電池において、前記寸法変動吸収部材が、前記単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮する多孔質断熱性部材を含む、燃料電池。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池において、前記寸法変動吸収部材が、単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮するバネ部材と、前記バネ部材を収容する空間を有する断熱性部材と、を含む、燃料電池。

（４）上記（１）に記載の燃料電池において、前記寸法変動吸収部材が、前記単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮する多孔質断熱性部材を含む第１の寸法変動吸収部分と、前記第１の寸法変動吸収部分を囲繞する第２の寸法変動吸収部分と、を備え、前記第２の寸法変動吸収部分は、単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮するバネ部材と、前記バネ部材を収容する断熱性部材と、を含む、燃料電池。

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記エンドセルが、反応ガス流路を含み、前記寸法変動吸収部材に隣接する反応ガス流路部分をさらに備える、燃料電池。

（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記エンドセルが、前記セルスタックの両端部分に配設されている、燃料電池。

本発明によれば、簡便な構成により、セルスタックに加えられた所定の面圧を維持することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。図１に示す燃料電池１００は、セルスタックとして積層された単セルのうち、積層端部に配置された単セル（端部セル）１５０ａに代えてエンドセル５０を設けたことを除き、図４に示す燃料電池５００とほぼ同様の構成を有している。

図２（ａ）は、図１に示すエンドセル５０の要部につき、その構成の概略を示す拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すエンドセル５０において、寸法変動吸収部材７５のＡ−Ａ’ラインに沿った断面図である。

図２（ａ）において、エンドセル５０は、導電性を有する第１の寸法変動吸収部分６４と、全体としては絶縁性の第２の寸法変動吸収部分６６，６８とを備える寸法変動吸収部材７５を含む。寸法変動吸収部材７５は、図１に示す単セル１５０の積層方向に対するセルスタックの寸法の変動を吸収し、単セル積層方向両側からの面圧を所定の範囲に維持することが可能な構成を有している。

図２（ｂ）に示すように、エンドセル５０の寸法変動吸収部材７５は、中央部分８８と、その外側を囲繞する外側部分９０とに大別することができる。図２（ｂ）において、中央部分８８は、隣接する単セル１５０の電極部分に対面しており、外側部分９０は、隣接する単セル１５０（１５０ｃ）の電極部分の外側に配設された外周部分に対面するように設けられている（図１を参照のこと）。つまり、寸法変動吸収部材７５の電気伝導性は、エンドセル５０と対面する、単セル１５０における各部位の電気伝導性に対応させたものとすることができる。

また、本実施の形態において、寸法変動吸収部材７５の中央部分８８には、図２（ａ）に示す第１の寸法変動吸収部分６４が配置されている。一方、外側部分９０には、各種流体マニホールド（図１に示す各反応ガス供給マニホールド９２、各反応ガス排出マニホールド９４および図示しない冷媒供給・排出マニホールド。以下、「貫通マニホールド」と総称する場合もある）に相当する開口が、対面する単セル１５０と対応するようにそれぞれ独立して設けられており、さらに、複数の第２の寸法変動吸収部分６６，６８（２つに限らない）が、各流体の流通を阻害しないよう、かつ全体としてバランス良く配置されている（図１を参照のこと）。実施の形態において、第２の寸法変動吸収部分６６，６８の配置箇所は、各貫通マニホールドのレイアウトに応じて適宜設定することが可能である。つまり、図２（ｂ）に示す外側部分９０のうち、例えば図１に示すように各反応ガス供給マニホールド９２、各反応ガス排出マニホールド９４よりも内側であっても、また外側であっても良く、その両方であっても良い。さらに冷媒マニホールドを含め、各貫通マニホールドの内外を問わない。

図２（ａ）において、第１の寸法変動吸収部分６４は、多孔質断熱性部材７０を導電性の保持部材７１，７２で挟み込み、接着その他の方法により保持、固定されている。また、多孔質断熱性部材７０の両端部分には、接着剤またはガスケット７３，７４が設けられている。本実施の形態において、多孔質断熱性部材７０は、セルスタックの寸法、すなわち単セル１５０の積層方向の寸法の変動に応じて伸縮することが可能な構成を有している。単セル１５０の積層方向の寸法が大きくなると、それに応じて、第１の寸法変動吸収部分６４の寸法が小さくなる。これに対し、単セル１５０の積層方向の寸法が小さくなると、それに応じて、第１の寸法変動吸収部分６４の寸法が大きくなる。

本実施の形態において、多孔質断熱性部材７０は、所定の伸縮性を有する導電性の多孔体からなり、例えば炭素分と樹脂（バインダ）とを混れんし、シート状に成形したもの、もしくは炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどを用いることが可能である。一方、本実施の形態において、保持部材７１，７２は、所定の剛性を有し、導電性のものであれば特に制限はないが、例えばアルミニウムやステンレス鋼などを切削やエッチングなどの公知の方法により加工し、必要に応じてめっき処理を施したものや、カーボン樹脂を切削その他の公知の方法により成形したものであっても良い。また、他の実施の形態において、複数の多孔質断熱性部材７０を単独で、または保持部材７１（７２）と多孔質断熱性部材７０とを交互に、それぞれ積層させて用いても良い。

これに対し、接着剤またはガスケット７３，７４は、多孔質断熱性部材７０の変位に追従できるよう、多孔質断熱性部材７０と同程度、または多孔質断熱性部材７０よりも柔軟な材料で構成することが好適である。

一方、図２（ａ）において、第２の寸法変動吸収部分６６（６８）は、バネ部材８４と、バネ部材８４を収容する空間を有する断熱性部材８２，８６とを含み、構成されている。バネ部材８４の一方端部は第１の断熱性部材８２に、他方端部は第２の断熱性部材８６にそれぞれ固定されており、セルスタックの、単セル積層方向の寸法の変動に応じてバネ部材８４が伸縮することが可能な構成を有している。必要に応じて、図１に示す単セル１５０ｃと対面する側に図示しない冷媒流路を設けても良い。

本実施の形態において、第１の断熱性部材８２と第２の断熱性部材８６は、例えばその一部を入れ子構造とすることにより、互いに相補して、セルスタックの、単セル積層方向の寸法の変動にバネ部材８４の伸縮を追従させるだけでなく、バネ部材８４の脱落を防止することができる。なお、断熱性部材８２，８６の形状は、バネ部材８４の伸縮をセルスタックの、単セル積層方向の寸法の変動に良好に追従させ、および／またはバネ部材８４の脱落を防止することが可能であれば図２（ａ）に示したものに限らず、いかなる構成のものを用いても良いことはいうまでもない。

本実施の形態において、バネ部材８４は、コイルバネまたは板バネなどの所望の伸縮性を有し、少なくともセルスタックの単セル積層方向の寸法の変動に追従することの可能なバネ材を用いることが必要であるが、電導性には特に制限はない。コイルバネであれば、例えばステンレス鋼、バネ鋼、炭素鋼製のものを、板バネであれば、例えばステンレス鋼、バネ鋼、炭素鋼製のものを、バネ部材８４として好適に使用することができる。

一方、断熱性部材８２，８６として、所定の剛性を有する絶縁性樹脂、例えば、ガラスエポキシ樹脂（通称ガラエポ）などを挙げることができるが、これに限るものではない。また、第１の断熱性部材８２と第２の断熱性部材８６は同一の材料を用いても良いし、異なる材料を用いても良い。

図２（ａ）において、エンドセル５０は、反応ガス流路部材７６をさらに備えることも好適である。反応ガス流路部材７６は、酸化剤ガスパイパス流路が形成された酸化剤ガスパイパス流路部分７８と、酸化剤ガスパイパス流路とは独立した燃料ガスパイパス流路が形成された燃料ガスパイパス流路部分８０とを含む。反応ガス流路部材７６に形成された各反応ガス流路は、図１に示す反応ガス供給マニホールド９２と反応ガス排出マニホールド９４とを連通させるようにそれぞれ構成されており、反応ガス供給マニホールド９２の末端部近傍の凝縮水その他の物質を、単セル１５０内を経由することなく直接に反応ガス排出マニホールド９４から排出させることが可能となるため、長期にわたる電池性能の安定化に寄与し得る。

本実施の形態において、反応ガス流路部材７６は、それぞれの流通部を流通する反応ガスが互いに混合しないような構成であれば図２に示すような層状である必要はない。また、反応ガス流路部材７６は、保持部材７２および／または第１の断熱性部材８２と一体で形成されても良く、あるいは酸化剤ガスパイパス流路部分７８と燃料ガスパイパス流路部分８０とを別部材で形成した後に接着または接合など適当な方法で固定させても良い。

本発明の実施の形態において、図２（ａ）に示す寸法変動吸収部材７５は、第１の寸法変動吸収部分６４と、第２の寸法変動吸収部分６６，６８とが、接着または接合など、公知の適当な手法により固定されている。このため、第１の寸法変動吸収部分６４および第２の寸法変動吸収部分６６，６８を含むエンドセル５０は全体として同様に変位し、セルスタックの、単セル積層方向の寸法の変動を吸収し、セルスタックの積層方向両側からの面圧を所定の範囲に維持する。

このとき、図２（ａ）に示す多孔質断熱性部材７０とバネ部材８４，８５の両者が所定の伸縮・復元力（弾性またはバネ性とも称する）を有し、この伸縮・復元力に応じて、セルスタックの積層方向両側からの面圧を所定の範囲に維持する構成とすることができる。この場合には、各部材相互の弾性力が異なると、各寸法変動吸収部分の接合面に負荷がかかるため、経時的な剥離のおそれが高まる。このため、第１の寸法変動吸収部分６４と、第２の寸法変動吸収部分６６，６８との間の伸縮・復元性能を同程度とすることが好適である。

一方、第１の寸法変動吸収部分６４および第２の寸法変動吸収部分６６，６８は、必ずしもその双方が所望の弾性を有していなくても良い。つまり、他の実施の形態として、主として第１の寸法変動吸収部分６４が単セル積層方向の寸法の変動を吸収し、セルスタックの積層方向両側からの面圧を所定の範囲に維持することが可能な程度の高い弾性を有する一方、第２の寸法変動吸収部分６６，６８は、これに追従する程度の伸縮性を有する構成とすることが可能である。また、本発明のさらに別の実施の形態として、主として第２の寸法変動吸収部分６６，６８が単セル積層方向の寸法の変動を吸収し、セルスタックの積層方向両側からの面圧を所定の範囲に維持することが可能な程度の高い弾性を有する一方、第１の寸法変動吸収部分６４は、これに追従する程度の伸縮性を有する構成とすることも可能である。

なお、本発明の実施の形態において、図１に示すエンドセル５０は、反応ガス供給マニホールド９２の、最奥部である積層端部に配置されているが、他の実施の形態として、反応ガス供給マニホールド９２の、最も入口側に近い積層端部（図４に示す単セル１５０ｂに相当する部分）に配置することも可能である。また、さらに別の実施の形態として、セルスタックの両端部分に、積層した単セル１５０を挟持するように配設することも好適である。本実施の形態によれば、セルスタックの積層方向両側からの面圧を所定の範囲に維持するだけでなく、単セル１５０の積層端部の温度低下を抑制することで単セル１５０の積層端部と積層中央部との温度勾配を低減させることが可能となり、より安定した電池性能の発揮に寄与し得る。ただし、積層両端に挿入する単セル１５０は同一の構成である必要はなく、所望のバネ性（弾性）をセルスタックの両端部分で分担すればよい。同様に、積層端部と積層中央部との温度勾配についても、所望の温度勾配となるように構成する（具体的には、多孔質断熱性部材７０の厚みを変えることが一例として挙げられる）ことが可能である。

本発明は、複数の単セルを積層させた構成を有する燃料電池において好適に利用することが可能である。

燃料電池の構成の概略を示す模式図である。 エンドセルの要部の構成の概略を示す模式図である。 単セルの要部の構成の概略を示す模式図である。 燃料電池の構成の概略を示す模式図である。

符号の説明

１０ 電解質膜、１２ 空気極触媒層、１４ 燃料極触媒層、１６ 空気極拡散層、１８ 燃料極拡散層、２０ 酸化剤ガス流路、２２ セル冷媒流路、２４ 燃料ガス流路、２６ 空気極側セパレータ、２８ 燃料極側セパレータ、３０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、５０ エンドセル、１５０，１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ 単セル、５２，５４ 集電板、５６，５８ 絶縁板、６０，６２ エンドプレート、６４ 第１の寸法変動吸収部分、６６，６８ 第２の寸法変動吸収部分、７０ 多孔質断熱性部材、７１，７２ 保持部材、７３，７４ 接着剤またはガスケット、７５ 寸法変動吸収部材、７６ 反応ガス流路部材、７８ 酸化剤ガスパイパス流路部分、８０ 燃料ガスパイパス流路部分、８２，８６ 断熱性部材、８４，８５ バネ部材、８８ 中央部分、９０ 外側部分、９２ 反応ガス供給マニホールド、９４ 反応ガス排出マニホールド、１００，５００ 燃料電池。

Claims (6)

1. 複数の単セルが積層するセルスタックの端部に断熱性を有するエンドセルを備え、
   前記エンドセルが、前記セルスタックの、単セル積層方向の寸法の変動を吸収し、前記セルスタックの、単セル積層方向両側からの面圧を維持する寸法変動吸収部材を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記寸法変動吸収部材が、前記単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮する多孔質断熱性部材を含むことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記寸法変動吸収部材が、前記単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮するバネ部材と、前記バネ部材を収容する空間を有する断熱性部材と、を含むことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記寸法変動吸収部材が、前記単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮する多孔質断熱性部材を含む第１の寸法変動吸収部分と、前記第１の寸法変動吸収部分を囲繞する第２の寸法変動吸収部分と、を備え、
   前記第２の寸法変動吸収部分は、単セル積層方向の寸法の変動に応じて伸縮するバネ部材と、前記バネ部材を収容する断熱性部材と、を含むことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記エンドセルが、
   反応ガス流路を含み、前記寸法変動吸収部材に隣接する反応ガス流路部分をさらに備えることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記エンドセルが、前記セルスタックの両端部分に配設されていることを特徴とする燃料電池。

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