JP2009252614A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の膜電極接合体が積層された積層体を有する燃料電池において、積層体に対する積層方向からの面圧が局所的に低減してしまうことを抑制する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１１とセパレータ１２とが交互に積層された積層体１０と、積層体１０を積層方向に挟持して締結荷重を加えるエンドプレート２０とを備える。エンドプレート２０の少なくとも一方の面には、１枚以上の板状部材を積層することによって中央凸部２１が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池スタックは、通常、電解質膜を電極で挟持した膜電極接合体をセパレータで挟持した複数の発電モジュールを積層したスタック構造を有する。発電モジュールの積層体は、２枚のエンドプレートによってその積層方向から挟持され、当該２枚のエンドプレートを介して締結部材による締結荷重が加えられる（特許文献１等）。

特開２００３−１５１６１１号公報 特開２００７−１７３１６９号公報 特開２００２−１２４２９１号公報

即ち、エンドプレートは、発電モジュールの積層体に面圧を付与することによって、各発電モジュールを締結し、その接触抵抗を低減するとともに、流体に対するシール性を向上させる。従って、発電モジュールの積層体には、エンドプレートから規定の面圧が付与されることが好ましい。しかし、発電中の燃料電池スタックでは、温度変化や電解質膜の膨潤などによって発電モジュールの積層体が積層方向に膨張し、エンドプレートが変形してしまう場合がある。この場合には、エンドプレートから付与される面圧が局所的に低減してしまう可能性があった。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、複数の膜電極接合体が積層された積層体を有する燃料電池において、積層体に対する積層方向からの面圧が局所的に低減してしまうことを抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池であって、複数の発電体が積層された積層体と、前記積層体を積層方向に挟持して前記積層体の積層方向に沿って締結荷重を加えるエンドプレートとを備え、前記エンドプレートの少なくとも一方の面には、１枚以上の板状部材を積層することによって凸部が設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、エンドプレートが変形した場合であっても、凸部が積層体側の方向へ突出している分だけ、エンドプレートからの面圧が低減してしまうことを抑制できる。また、凸部を設けることによってエンドプレートの剛性を向上させることができ、その変形が抑制され、変形によってエンドプレートの面圧が局所的に低下してしまうことを抑制できる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記凸部は、前記エンドプレートの２つの面のうちの前記積層体側の第１の面に設けられ、前記エンドプレートの中央で最も高さが高くなる中央凸部を含む、燃料電池。
この燃料電池によれば、燃料電池の発電を継続したときに積層体が膨張することによってエンドプレートが変形してしまった場合であっても、中央凸部の突出している高さの分だけ、エンドプレートの中央部における面圧の低下が抑制される。従って、局所的に面圧が低下してしまうことを抑制できる。

［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、前記凸部は、前記エンドプレートを補強するために前記第１の面とは反対側の第２の面に設けられた補強用凸部を含む、燃料電池。
この燃料電池によれば、補強用凸部によってエンドプレートの曲げ剛性を向上させることができるため、エンドプレートの変形を抑制し、エンドプレートの変形によって面圧が局所的に低下することを抑制できる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、前記積層体は、前記複数の発電体のそれぞれに供給される流体のためのマニホールドと、前記マニホールドからの前記流体の漏洩を防止するためのシール部とを備え、前記凸部は、前記積層体を前記積層方向に沿って投影したときに、前記シール部と重なる領域に設けられたシール補強凸部を含む、燃料電池。
この燃料電池によれば、シール補強凸部の設けられた部位におけるエンドプレートの剛性が向上して、その変形が抑制されるため、シール部に対する面圧が低下してしまうことを抑制できる。従って、燃料電池の流体に対するシール性が低下することが抑制される。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記エンドプレートはチタンによって形成される、燃料電池。
この燃料電池によれば、比較的鋳造が困難なチタンであっても、板状部材の積層によってエンドプレートの凸部を容易に形成することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１（Ａ）は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

燃料電池１００は、複数の膜電極接合体１１とセパレータ１２とが交互に積層された積層体１０を備える。積層体１０は、その積層方向からエンドプレート２０によって挟持される。エンドプレート２０の外周縁には、締結部材３０が設けられており、積層体１０の積層方向にエンドプレート２０を介して締結荷重をかけて燃料電池１００を締結する。

図１（Ｂ）は、エンドプレート２０を燃料電池１００の積層方向に沿って見たときの概略図である。エンドプレート２０は、複数の板状部材（例えばチタン（Ｔｉ））が積層された積層構造を有しており、積層体１０側の面には、それぞれサイズの異なる板状部材を積層して、エンドプレート２０の中央において最も高さが高くなる中央凸部２１が設けられている。積層された各板状部材は、抵抗溶接またはロウ付けによって接合されることが好ましい。この中央凸部２１の機能については後述する。また、エンドプレート２０は、その四隅に、締結部材３０のシャフト３１（図１（Ａ））を挿入するための貫通孔２２が設けられている。

なお、図１（Ａ），（Ｂ）では、一例として、エンドプレート２０は、同一サイズの２枚の板状部材が積層されるとともに、外側に配置されるものほどサイズが小さくなるように３枚の板状部材を積層して中央凸部２１が設けられている。また、エンドプレート２０には、後述するマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と燃料電池１００の外部の配管とを連結する連結部が設けられているが、図示は省略されている。

図２（Ａ）は、積層体１０のうちの任意の膜電極接合体１１を燃料電池１００（図１（Ａ））の積層方向に沿って見たときの概略図である。膜電極接合体１１は、発電に供される発電領域１と、発電領域１の外周縁に設けられたシール部２とを有している。

シール部２には、燃料電池１００に供給される反応ガスなどの流体の供給・排出ためのマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。具体的には、水素の供給及び排出を担うマニホールド孔Ｍ１，Ｍ４と、冷媒の供給及び排出を担うマニホールド孔Ｍ２，Ｍ５と、酸素の供給及び排出を担うマニホールド孔Ｍ３，Ｍ６とが設けられている。各流体の供給用マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ３は、対応する各流体の排出用マニホールド孔Ｍ４〜Ｍ６と発電領域１を挟んで対向する位置に設けられている。

なお、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、セパレータ１２にも同様に設けられており、積層体１０を積層方向に貫通している（図１（Ａ）において破線で図示）。マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、他の構成・配置であっても良い。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す２Ｂ−２Ｂ切断における膜電極接合体１１の概略断面図を示している。なお、図２（Ｂ）は、膜電極接合体１１が燃料電池１００として組み付けられ、セパレータ１２によって挟持された状態を模式的に示している。

膜電極接合体１１の発電領域１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜である電解質膜３が含まれている。電解質膜３の両面にはそれぞれ電極４が設けられている。電極４とセパレータ１２との間には、導電性を有する多孔質部材５が配置される。多孔質部材５は、電極４の全体に供給された水素又は酸素を行き渡らせるためのガス流路としての機能と、発電された電気の導電経路としての機能を有する。

シール部２は、電解質膜３の端部３ｅ及び電極４の端部４ｅを被覆するように成形されている。シール部２の両面のそれぞれ対向する位置には、突起部であるリップ２Ｌが設けられている。リップ２Ｌは、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６と、発電領域１とをそれぞれ囲むように設けられ、外部への流体の漏洩を抑制するためのシールラインＳＬを形成する（図２（Ａ）において二条線ＳＬとして図示）。

図２（Ｂ）には、燃料電池１００に供給された水素の流れを矢印によって図示してある。燃料電池１００の外部から水素供給用マニホールド孔Ｍ１へと供給された水素の一部は、各セパレータ１２に設けられた水素のための流路（図示せず）へと流入し、多孔質部材５を介して電極４へと至り、発電に供される。発電に供されることのなかった水素は、再びセパレータ１２に設けられた水素のための流路を経て排出用マニホールド孔Ｍ４へと至り、燃料電池１００の外部へ排出される。なお、酸素も水素と同様な経路で供給・排出される。冷媒は、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ２から、各セパレータ１２に設けられた冷媒用流路（図示せず）へと流入して、発電領域１を冷却しつつ、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ５へと排出される。

ところで、上述のようなスタック構造を有する燃料電池１００では、エンドプレート２０及び締結部材３０（図１（Ａ））によって、積層体１０に規定の面圧が付与されることが好ましい。この理由は、エンドプレート２０からの面圧によって、膜電極接合体１１やセパレータ１２等の各構成部材間における接触抵抗を低減させることができ、燃料電池１００の発電効率を向上させることができるためである。また、エンドプレート２０からの面圧によって、シール部２のシールラインＳＬを形成するリップ２Ｌ（図２）が押圧され、流体に対するシール性を向上させることができるためである。

図３（Ａ）は、比較例としての燃料電池１００ａの構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、エンドプレート２０に換えてエンドプレート２０ａが示されている点以外は、図１（Ａ）とほぼ同じである。比較例のエンドプレート２０ａは、中央凸部２１を有さない平坦な一枚の板状部材によって構成されている。

図３（Ｂ）は、燃料電池１００ａの一部を示す概略図であり、燃料電池１００ａに取り付けられた状態で変形した一方のエンドプレート２０ａを示している。なお、図３（Ｂ）では、積層体１０を破線で図示している。

一般に、スタック構造を有する燃料電池では、発電を継続すると、温度変化による構成部材の膨張や、電解質膜の膨潤によって、積層方向に膨張することが知られている。特に、発電領域の中央に近い部位ほど、その膨張量は増大する傾向にある。従って、エンドプレート２０ａは、燃料電池１００ａの発電を継続すると、外側（矢印ＣＤの方向）に向かって湾曲してしまう場合がある。なお、図示していない他方のエンドプレート２０も同様に変形してしまう場合がある。すると、エンドプレート２０ａから積層体１０に付与される面圧は、エンドプレート２０ａの中央に近い領域ほど低減してしまう。なお、図では、黒色の矢印ＳＴの太さによって面圧の大きさを模式的に示している。

図４（Ａ），（Ｂ）は、本実施例におけるエンドプレート２０の変形を説明するための模式図であり、エンドプレート２０ａに換えてエンドプレート２０が示されている点以外は、図３（Ｂ）と同様である。図４（Ａ）は、燃料電池１００に組み付けられた変形する前のエンドプレート２０を示している。図４（Ｂ）は、燃料電池１００が発電を継続して積層体１０が積層方向に膨張し、エンドプレート２０が変形した状態を示している。

エンドプレート２０の中央凸部２１は、エンドプレート２０が矢印ＣＤの方向に湾曲したときに、中央凸部２１を構成する各板状部材の外周縁ＰＥが積層体１０の上面（底面）と接するように設けられている。このエンドプレート２０によれば、図のように変形してしまう場合であっても、中央凸部２１が突出して積層体１０を押圧する分だけ、中央凸部２１が設けられた領域における面圧の低下を抑制できる。従って、面圧が局所的に規定の値より低下してしまうことを抑制することができる（矢印ＳＴ）。

なお、中央凸部２１の形状は、積層される板状部材の厚みやサイズ、枚数などで変更することができる。従って、予め実験等によって積層体１０の膨張量に応じたエンドプレート２０の湾曲量を計測しておき、その湾曲量に応じて中央凸部２１の形状を設計することが好ましい。

このように、本実施例の燃料電池１００によれば、発電継続による積層体１０の膨張によってエンドプレート２０が湾曲しても面圧が不均一となることが抑制される。従って、エンドプレート２０の変形による燃料電池１００の発電効率の低下（性能の劣化）が抑制される。

B．第２実施例：
図５（Ａ）は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの構成を示す概略図である。図５（Ｂ）は、燃料電池１００Ａに用いられているエンドプレート２０Ａを示す概略図である。図５（Ａ），（Ｂ）は、シール補強凸部２３が追加されている点以外は、図１（Ａ），（Ｂ）とほぼ同じである。なお、図５（Ｂ）には、燃料電池１００Ａを積層方向に沿って見たときに、各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６を囲むシールラインＳＬ（図２）と重なる領域を破線で示してある。

エンドプレート２０Ａのシール補強凸部２３は、エンドプレート２０Ａの積層体１０側の面に各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６を囲むシールラインＳＬと重なるように設けられた凸部である。シール補強凸部２３は、中央凸部２１と同様に、１枚以上の板状部材を積層することによって設けられている。なお、シール補強凸部２３の高さは、中央凸部２１の高さより低いことが好ましい。これによって、シール補強凸部２３を設けたことにより、中央凸部２１の機能が低減されることを抑制できる。

このシール補強凸部２３を設けることによって、シール補強凸部２３が設けられた領域におけるエンドプレート２０Ａの曲げ剛性が向上する。また、シール補強凸部２３の高さの分だけ、積層体１０のシールラインＳＬが形成された領域に対する面圧の低下を抑制できる。従って、エンドプレート２０Ａの変形によるシール性の低下が抑制され、燃料電池１００Ａの外部への流体の漏洩が抑制される。

C．第３実施例：
図６（Ａ）は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの構成を示す概略図である。図６（Ａ）は、プレート補強凸部２４が追加されている点以外は、図５（Ａ）とほぼ同じである。

図６（Ｂ）は、燃料電池１００Ｂに用いられているエンドプレート２０Ｂを示す概略図である。図６（Ｂ）は、図５（Ｂ）と同様な図であるが、エンドプレート２０Ｂの燃料電池１００Ｂに組み付けられたときに積層体１０と対向する側の面を示している。

第３実施例のエンドプレート２０Ｂには、中央凸部２１及びシール補強凸部２３が設けられた第１の面とは対向する側の第２の面に、一枚以上の板状部材を積層することによって、プレート補強凸部２４が設けられている。プレート補強凸部２４は、エンドプレート２０Ｂの第２の面の対角線上を走るリブとして設けられており、第２の面（紙面）に垂直な方向に沿って見たときに、略Ｘ字形状となるように設けられている。なお、プレート補強凸部２４は、他の形状を有するリブであっても良いし、リブではなく、他の突起形状を有するものとしても良い。

このように、エンドプレート２０Ｂは、第２の面に設けられたプレート補強凸部２４によって曲げ剛性が向上している。従って、積層体１０の積層方向への膨張によるエンドプレート２０Ｂの変形が抑制され、積層体１０に付与される面圧が局所的に低減してしまうことが抑制される。また、エンドプレート２０Ｂは、プレート補強凸部２４によって曲げ剛性が向上する分だけ薄型化することも可能である。これによって、エンドプレートの曲げ剛性の低下を抑制しつつ燃料電池１００Ｂを軽量化することが可能である。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D1．変形例１：
上記実施例の中央凸部２１、シール補強凸部２３、プレート補強凸部２４は、上記実施例で説明した形状・構成に限定されるものではなく、他の形状・構成を有するものであっても良い。また、エンドプレートには、中央凸部２１、シール補強凸部２３、プレート補強凸部２４のうちのいずれかのみが設けられているものとしても良いし、これら以外に、エンドプレートの他の部位を補強するための凸部が設けられているものとしても良い。エンドプレートには、少なくとも一方の面に、１枚以上の板状部材を積層することによって凸部が設けられていれば良い。

D2．変形例２：
上記実施例において、エンドプレート２０，２０Ａ，２０Ｂは、チタンによって構成されていたが、他の種類の部材によって構成されるものとしても良い。例えば、鉄（Ｆｅ）やアルミ（Ａｌ）などの金属で構成されるものとしても良い。ただし、この場合には、エンドプレート２０は、その表面に金メッキを施したり、樹脂によるコーティングを施すことによって耐蝕性を向上させることが好ましい。

ところで、エンドプレート２０をチタンによって構成した場合には、一般にチタンは耐蝕性が比較的高いため、上記のような耐蝕性を向上させるための加工を省略することも可能である。また、チタンは、一般に比較的鋳造が容易ではないが、上記実施例のように薄板状のチタンを積層する方法であれば、エンドプレート２０の外表面に凸部を容易に形成することが可能である。従って、上記実施例によれば、チタンを鋳造してエンドプレート２０の外表面に凸部を設ける場合よりも製造コストを低減することが可能である。

D3．変形例３：
上記第２実施例及び第３実施例において、シール補強凸部２３は、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６を囲むシールラインＳＬに対応する部位に設けられていたが、他のシールラインの形成された領域に対応する部位に設けられているものとしても良い。例えば、シール補強凸部２３は、発電領域１を囲むシールラインＳＬを燃料電池１００Ａ，１００Ｂの積層方向へ投影したときの投影領域に設けられるものとしても良い。

第１実施例における燃料電池の構成及びそのエンドプレートの構成を示す概略図。 膜電極接合体の構成を示す概略図。 比較例としての燃料電池の構成を示す概略図とエンドプレートの変形を説明するための模式図。 第１実施例におけるエンドプレートの機能を説明するための模式図。 第２実施例における燃料電池及びそのエンドプレートの構成を示す概略図。 第３実施例における燃料電池及びそのエンドプレートの構成を示す概略図。

符号の説明

１…発電領域
２…シール部
２Ｌ…リップ
３…電解質膜
３ｅ…端部
４…電極
４ｅ…端部
５…多孔質部材
１０…積層体
１１…膜電極接合体
１２…セパレータ
２０，２０ａ，２０Ａ，２０Ｂ…エンドプレート
２１…中央凸部
２２…貫通孔
２３…シール補強凸部
２４…プレート補強凸部
３０…締結部材
３１…シャフト
１００，１００ａ，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
ＰＥ…板状部材の外周縁
ＳＬ…シールライン

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   複数の発電体が積層された積層体と、
   前記積層体を積層方向に挟持して前記積層体の積層方向に沿って締結荷重を加えるエンドプレートと、
   を備え、
   前記エンドプレートの少なくとも一方の面には、１枚以上の板状部材を積層することによって凸部が設けられている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記凸部は、前記エンドプレートの２つの面のうちの前記積層体側の第１の面に設けられ、前記エンドプレートの中央で最も高さが高くなる中央凸部を含む、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
   前記凸部は、前記エンドプレートを補強するために、前記第１の面とは反対側の第２の面に設けられた補強用凸部を含む、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記積層体は、前記複数の発電体のそれぞれに供給される流体のためのマニホールドと、前記マニホールドからの前記流体の漏洩を防止するためのシール部とを備え、
   前記凸部は、前記積層体を前記積層方向に沿って投影したときに、前記シール部と重なる領域に設けられたシール補強凸部を含む、燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記エンドプレートはチタンによって形成される、燃料電池。

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