JP2009252617A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】燃料電池１０であって、積層された複数の発電ユニット２００、２０２と前記積層された複数の発電ユニットを締結する締結荷重を変更可能な締結部２５０とを備える。前記発電ユニットは、膜電極アッセンブリ３００と、前記膜電極アッセンブリの両側に配置されるセパレータ４１０、４２０と、前記膜電極アッセンブリと前記セパレータとを接着する接着層５００、５０２とを備える。各接着層に等しい応力を加えたときに、前記燃料電池の積層方向端部に存在する第１の接着層５０２の歪みが、前記燃料電池の積層方向中央部に存在する第２の接着層５００の歪みよりも大きくなるように前記第１と第２の接着層５００、５０２が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来から、燃料電池スタック内の含水量応じて燃料電池スタックの締結荷重を可変制御する燃料電池が知られている（特許文献１）。

特開２００１−３１９６７３号公報

しかし、従来の燃料電池では、燃料電池の積層方向端部のセルへの反応ガスの分配が十分でないと、始動時において発電電圧が低下するという問題があった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。

本発明の第１の態様は燃料電池である。燃料電池は、積層された複数の発電ユニットと
前記積層された複数の発電ユニットを締結する締結荷重を変更可能な締結部とを備える。前記発電ユニットは、膜電極アッセンブリと、前記膜電極アッセンブリの両側に配置されるセパレータと、前記膜電極アッセンブリと前記セパレータとを接着する接着層とを備える。各接着層に等しい応力を加えたときに、前記燃料電池の積層方向端部に存在する第１の接着層の歪みが、前記燃料電池の積層方向中央部に存在する第２の接着層の歪みと異なるように前記第１と第２の接着層が形成されている。この態様によれば、締結荷重を変えることにより接着層の歪みを変えることができ、燃料電池の反応ガスの分配を適正化して、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

本発明の第１の態様において、各接着層に等しい応力を加えたときに、前記第１の接着層の歪みが、前記第２の接着層の歪みよりも大きくなるように、前記第１と第２の接着層が形成されていてもよい。この態様によれば、端部の接着層の歪みを大きくすることが可能となり、燃料電池の反応ガスの分配を適正化して、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

本発明の第１の態様において、前記締結部は、燃料電池の始動時または負荷急増時に前記締結荷重を減少させ、通常運転時に前記締結荷重を増大してもよい。この態様によれば、燃料電池の始動時または負荷急増時に、積層方向端部の発電ユニットに反応ガスを供給しやすい。

本発明の第１の態様において、前記第１の接着層は、前記第２の接着層と異なる弾性率の材料で形成されていてもよい。この態様によれば、第１と第２の接着層の歪みを変えることが可能となり、これによって、反応ガスをより適切に分配することができる。

本発明の第１の態様において、前記第１の接着層は、前記第２の接着層よりも低弾性率の材料で形成されていてもよい。この態様によれば、中央部における歪みと端部における歪みを変えることが可能となり、これによって、反応ガスをより適切に分配することができる。

本発明の第１の態様において、前記第１の接着層は、前記締結荷重がゼロの状態において、前記第２の接着層と異なる厚さになるように形成されていてもよい。この態様によれば、第１と第２の接着層の歪みを変えることが可能となり、これによって、反応ガスをより適切に分配することができる。

本発明の第１の態様において、前記第１の接着層は、前記締結荷重がゼロの状態において、前記第２の接着層よりも厚くなるように形成されていてもよい。この態様によれば、端部における歪みを中央部における歪みより大きくすることが可能となり、これによって、反応ガスをより適切に分配することができる。

本発明の第１の態様において、前記第２の接着層は、前記第１の接着層と異なる面積にわたって形成されていてもよい。この態様によれば、第１と第２の接着層の歪みを変えることが可能となり、これによって、反応ガスをより適切に分配することができる。

本発明の第１の態様において、前記第２の接着層は、前記第１の接着層よりも広い面積にわたって形成されていてもよい。この態様によれば、中央部における歪みと端部における歪みを変えることが可能となり、これによって、反応ガスをより適切に分配することができる。

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、燃料電池の他、燃料電池の製造方法、燃料電池の運転方法等、様々な形態で実現することができる。

第１の実施例：
図１は、第１の実施例に係る燃料電池を模式的に示す説明図である。燃料電池１０は、発電部１００と、ボールネジ機構２５０と、モータ２６０と、フレーム２７０と、コントローラ２８０とを備える。発電部１００は、積層された複数の発電ユニット２００と、エンドプレート２１０、２２０と、シャフト２３０と、接合部２４０を備える。エンドプレート２１０、２２０は、積層された複数の発電ユニット２００の積層方向両端に配置されている。エンドプレート２１０、２２０の四隅には孔が開いており、シャフト２３０が貫通している。シャフト２３０と第１のエンドプレート２１０は、接合部２４０で固定されている。第１のエンドプレート２１０とモータ２６０はフレーム２７０に固定されている。第２のエンドプレート２２０は、ボールネジ機構２５０に接続されている。ボールネジ機構２５０は、モータ２６０によって駆動される。すなわち、コントローラ２８０からの信号により、モータ２６０が回転すると、ボールネジ機構２５０が第２のエンドプレート２２０をシャフト２３０に沿って移動させる。このように、本実施例では２つのエンドプレート２１０、２２０の間隔を変えることが可能であり、発電ユニット２００にかかる締結荷重を変えることが可能である。

図２は、通常運転時における発電部１００の一部（図１のＡの部分）の断面を模式的に示す説明図である。発電ユニット２００は、膜電極アッセンブリ３００とセパレータ４００を備える。膜電極アッセンブリ３００は、電解質膜３１０と、アノード触媒層３２０と、カソード触媒層３３０と、アノード側ガス拡散層３４０と、カソード側ガス拡散層３５０と、フレーム３６０とを備える。本実施例では、電解質膜３１０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。電解質膜３１０の両側には、アノード触媒層３２０と、カソード触媒層３３０が配置されている。本実施例では、アノード触媒層３２０、カソード触媒層３３０として、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を例えばカーボン粒子上に担持した触媒層を用いている。アノード触媒層３２０及びカソード触媒層３３０の外側にアノード側ガス拡散層３４０とカソード側ガス拡散層３５０が配置されている。本実施例では、アノード側ガス拡散層３４０およびカソード側ガス拡散層３５０として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いている。なお、ガス拡散層は、ある程度の弾性を有するもので形成することが好ましい。フレーム３６０は、電解質膜３１０と、アノード触媒層３２０と、カソード触媒層３３０と、アノード側ガス拡散層３４０と、カソード側ガス拡散層３５０の外縁を囲うように形成されている。本実施例では、フレーム３６０として、例えば、樹脂製、ゴム製のフレームが用いられており、射出成形により、電解質膜３１０と一体に成形される。

セパレータ４００は、アノードプレート４１０とカソードプレート４２０とシールガスケット４３０を備える。アノードプレート４１０は、膜電極アッセンブリ３００のアノード側ガス拡散層３４０に接するように配置されている。アノードプレート４１０のアノード側ガス拡散層３４０側には、凹部４１２が設けられ、アノード側ガス拡散層３４０と反対の側には、凹部４１４が設けられている。凹部４１２は、燃料ガス流路を形成する。カソードプレート４２０は、膜電極アッセンブリ３００のカソード側ガス拡散層３５０に接するように配置されている。カソードプレート４２０のカソード側ガス拡散層３５０側には、凹部４２２が設けられ、カソード側ガス拡散層３５０と反対の側には、凹部４２４が設けられている。凹部４１２は、酸化ガス流路を形成する。発電ユニット２００が積層されたときに、凹部４１４と凹部４２４は、合体して冷媒流路を形成する。シールガスケット４３０は、カソードプレート４２０のカソード側ガス拡散層３５０と反対側の外縁部に設けられている。シールガスケット４３０は、発電ユニット２００が積層されたときに、隣り合うアノードプレート４１０とカソードプレート４２０とを接着するために用いられる。

膜電極アッセンブリ３００と、アノードプレート４１０及びカソードプレート４２０は、外縁部において接着層５００により接着されている。なお、発電ユニット２００の積層方法端部においては、膜電極アッセンブリ３００とセパレータ４００は、接着層５０２により接着されている。接着層５００、５０２は、弾性率が異なっている。本実施例では、端部にある接着層５０２の方が、弾性率が小さい材料で形成されている。中央部にある接着層５００として、例えばシリコーン変成（変性）ポリマー系接着剤を用い、端部にある接着層５０２として、例えばエポキシ系接着剤を用いることが可能である。以下、端部にある発電ユニット（膜電極アッセンブリ３００と、アノードプレート４１０及びカソードプレート４２０とが接着層５０２により接着された発電ユニット２００）を、符号を変えて「発電ユニット２０２」という。なお、接着層５００、５０２の厚さは、発電ユニット２００、２０２を積層して通常運転時の締結荷重を加えたときに、ほぼ同じ厚さになるように設定されている。すなわち、締結加重がゼロの状態において、端部の接着層５０２の接着層の厚みが、中央部の接着層５００の厚みより大きく設定されている。

図３は、図２に示す燃料電池の始動時の状態を示す説明図である。本実施例では、始動時に、コントローラ２８０は、締結荷重を低下させる。締結荷重が低下すると、接着層５００、５０２にかかる応力が小さくなり、接着層５００、５０２の厚さが増大する。その結果、アノード側ガス拡散層３４０、カソード側ガス拡散層３５０の厚みも増大し、圧損が小さくなる。特に、前述したように、端部の接着層５０２の方が中央の接着層５００よりも、弾性率が小さいため、端部の接着層５０２の方が中央部の接着層５００よりも厚くなる。したがって、通常運転時の状態から始動時の状態に変わったときに、端部の発電ユニット２０２の方が中央部の発電ユニット２００に比べて、圧損の低下量が大きくなる。特に、始動時には、フラッディング等により、端部の発電ユニット２０２における圧損が大きくなり、反応ガスが不足する傾向にある。したがって、本実施例のように始動時に締結荷重を減少させて端部の発電ユニットにおける圧損を低下させることによって、端部における反応ガスガスの不足を緩和することが可能である。

ここで、接着層の面積をＳ、接着層の厚さをｘ、接着層の弾性率をＥ、締結荷重をＦ、そのときの歪みをｅ、接着層を厚さの変化量をΔｘとする。締結荷重Ｆをかけたときに接着層に係る応力ｆは、
ｆ＝Ｆ／Ｓ ・・・（１）
で示される。
一方、応力ｆと歪みｅと弾性率Ｅの関係は、
Ｅ＝ｆ／ｅ ・・・（２）
であるので、
Ｅ＝（Ｆ／Ｓ）／（Δｘ／ｘ） ・・・（３）
Ｅ＝（Ｆ・ｘ）／（Ｓ・Δｘ） ・・・（４）
Δｘ＝（Ｆ・ｘ）／（Ｓ・Ｅ） ・・・（５）
となる。
（５）式によれば、接着層を厚さの変化量Δｘを大きくするには、弾性率Ｅを小さくするか、厚さｘを厚くするか、面積Ｓを小さくすれば良いことが理解できる。第１の実施例では、端部における接着層５０２の厚さの変化量を大きくするために、接着層５０２の弾性率Ｅを中央部における接着層５００の弾性率よりも小さくしている。

第２の実施例：
図４は、第２の実施例における通常運転時の状態を示す説明図である。第２の実施例では、端部の発電ユニット２０４における接着層５０４として、中央部の接着層５００と同じ材質の接着層を用いている。ただし、通常運転時における端部の接着層５０４の厚さは、中央部の接着層５００の厚さよりも厚くなっている。

図５は、第２の実施例における始動時の状態を示す説明図である。燃料電池の始動時に締結荷重を低下させると、端部の接着層５０４の厚さの増大量は、中央部の接着層５００の厚さの増大量よりも大きくなり、圧損の低下量もより大きい。したがって、第１の実施例と同様に、反応ガスの不足が緩和されて、発電効率が向上する。

第３の実施例：
図６は、第３の実施例における通常運転時の状態を示す説明図である。第３の実施例では、端部の発電ユニット２０６における接着層５０６として、中央部の接着層５００と同じ材質の接着層を用いている。ただし、通常運転時における端部の接着層５０６の面積は、中央部の接着層５００の面積よりも狭くなっている。なお、接着層５００、５０６の厚さは、発電ユニット２００、２０６を積層して通常運転時の締結荷重を加えたときに、ほぼ同じ厚さになるように設定されている。

図７は、中央部の発電ユニット２００におけるアノードプレート４１０をアノード側ガス拡散層３４０側から見た平面図である。アノードプレート４１０は、外縁部に、燃料ガス、酸化ガス、冷却水を供給・排出するための開口部４４０〜４６５が設けられている。開口部４４０と開口部４４５の間には、凹部４１２が形成されている。接着層５００は、開口部４４０〜４６５と凹部４１２とを除いた部分に塗布されている。

図８は、端部の発電ユニット２０６におけるアノードプレート４１０をアノード側ガス拡散層３４０側から見た平面図である。端部の接着層５０６は、開口部４４０〜４６５の外周部と凹部４１２の外周部とアノードプレート４１０の最外周部には塗布されておらず、この接着層５０６の塗布面積は、接着層５００（図７）の塗布面積よりも狭い。

図９は、第３の実施例における始動時の状態を示す説明図である。始動時に締結荷重を低下させると、端部の接着層５０６の厚さは、中央部の接着層５００の厚さよりもより厚くなる。したがって、端部の発電ユニット２０６における圧損がより小さくなり、発電効率が向上する。

変形例：
第１の実施例では、中央部にある接着層５００として、シリコーン変成（変性）ポリマー系接着剤を用い、端部にある接着層５０２として、エポキシ系接着剤を用いているが、弾性率が異なる接着剤であれば、様々な接着剤を組み合わせて用いることが可能である。

第１の実施例から第３の実施例では、中央部における接着層５００と端部における接着層５０２、５０４、５０６について、それぞれ弾性率、厚さ、塗布面積のいずれかを変えているが、弾性率、厚さ、塗布面積を組み合わせて変化させてもよい。

第１の実施例から第３の実施例では、２層セパレータ構造を例にとり説明したが、単層セパレータ構造、３層セパレータ構造であってもよい。また、シールガスケットを用いて膜電極アッセンブリとセパレータとを接着する場合には、シールガスケットが接着層を兼ねるため、シールガスケットの材質と、厚さと、面積のうち少なくとも１つを変えるようにしてもよい。

第１の実施例から第３の実施例では、コントローラ２８０は、燃料電池の始動時に締結荷重を減少させるようにしているが、例えば、急加速時など、負荷が急増する場合において、締結荷重を減少させるようにしてもよい。

第１の実施例から第３の実施例では、締結加重を減少させたときに、燃料電池の端部側の接着層が厚くなるように構成しているが、逆に、締結加重を減少させたときに、燃料電池の中央部側の接着層が厚くなるように構成してもよい。たとえば、端部にある接着層５０２の方が、弾性率が大きい材料であってもよい。また、通常運転時における中央部の接着層５００の厚さを、端部の接着層５０４の厚さよりも厚くしてもよい。また通常運転時における中央部の接着層５００の面積を、端部部の接着層５０６の面積よりも狭くしてもよい。こうすることにより、締結加重を減少させたときに、燃料電池の中央部側の接着層が厚くなる。その結果、中央部の発電ユニット２００における圧損をより小さくすることが可能となり、燃料電池の発電効率を向上させることが可能となる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

第１の実施例に係る燃料電池を模式的に示す説明図である。 通常運転時における発電部１００の一部（図１のＡの部分）の断面を模式的に示す説明図である。 図２に示す燃料電池の始動時の状態を示す説明図である。 第２の実施例における通常運転時の状態を示す説明図である。 第２の実施例における始動時の状態を示す説明図である。 第３の実施例における通常運転時の状態を示す説明図である。 発電ユニット２００におけるアノードプレート４１０をアノード側ガス拡散層３４０側から見た平面図である。 発電ユニット２０６におけるアノードプレート４１０をアノード側ガス拡散層３４０側から見た平面図である。 第３の実施例における始動時の状態を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
１００…発電部
２００、２０２、２０４、２０６…発電ユニット
２１０、２２０…エンドプレート
２３０…シャフト
２４０…接合部
２５０…ボールネジ機構
２６０…モータ
２７０…フレーム
２８０…コントローラ
３００…膜電極アッセンブリ
３１０…電解質膜
３２０…アノード触媒層
３３０…カソード触媒層
３４０…アノード側ガス拡散層
３５０…カソード側ガス拡散層
３６０…フレーム
４００…セパレータ
４１０…アノードプレート
４１２、４１４、４２２、４２４…凹部
４２０…カソードプレート
４３０…シールガスケット
４４０〜４６５…開口部
５００、５０２、５０４、５０６…接着層

Claims (9)

1. 燃料電池であって、
   積層された複数の発電ユニットと
   前記積層された複数の発電ユニットを締結する締結荷重を変更可能な締結部とを備え、
   前記発電ユニットは、
   膜電極アッセンブリと、
   前記膜電極アッセンブリの両側に配置されるセパレータと、
   前記膜電極アッセンブリと前記セパレータとを接着する接着層とを備え、
   各接着層に等しい応力を加えたときに、前記燃料電池の積層方向端部に存在する第１の接着層の歪みが、前記燃料電池の積層方向中央部に存在する第２の接着層の歪みと異なるように前記第１と第２の接着層が形成されている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   各接着層に等しい応力を加えたときに、前記第１の接着層の歪みが、前記第２の接着層の歪みよりも大きくなるように、前記第１と第２の接着層が形成されている、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記締結部は、燃料電池の始動時または負荷急増時に前記締結荷重を減少させ、通常運転時に前記締結荷重を増大する、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１の接着層は、前記第２の接着層と異なる弾性率の材料で形成されている、燃料電池。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１の接着層は、前記第２の接着層よりも低弾性率の材料で形成されている、燃料電池。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１の接着層は、前記締結荷重がゼロの状態において、前記第２の接着層と異なる厚さになるように形成されている、燃料電池。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第１の接着層は、前記締結荷重がゼロの状態において、前記第２の接着層よりも厚くなるように形成されている、燃料電池。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第２の接着層は、前記第１の接着層と異なる面積にわたって形成されている、燃料電池。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記第２の接着層は、前記第１の接着層よりも広い面積にわたって形成されている、燃料電池。

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