JP2010165693A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内部の積層体の構造を安定化させ、車両に搭載したときに加わる各種の振動や衝撃で積層体にずれが発生したりする可能性をほとんど無くし、かつ、車載に適するように燃料電池の大きさを抑える。
【解決手段】電解質層、電極および導電性セパレータからなる積層体の側面に、その積層方向と同等の長さを有する補強板を取り付ける。さらには前記積層体の端部に、端板と、前記端板に接して積層体に積層方向の圧力を加えるための締め付け具を配し、前記積層体の少なくとも一対の相対する側面の各々に２枚以上の補強板を取り付け、前記複数の補強板と前記締め付け具とを連結して前記積層体を上下左右から締め付ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源等に使用される燃料電池に関する。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを電極で電気化学的に反応させ、電気、場合によっては熱も同時に発生させるものである。燃料電池には、使用する電解質により、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等がある。

近年、開発が盛んな固体高分子電解質型燃料電池の一例の要部の概略断面図を図４に示す。
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜８１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層８２、８２’が配され、さらにその外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層８３、８３’が密着して配されている。また、水素や空気が電池外へリークしたり互いに混合したりしないように、電極の周囲には、高分子電解質膜８１を挟んでシール材８５を配し、セパレータ板８７との隙間をシールする等の構造がとられている。これらの電極８４、８４’、電解質膜８１およびシール材８５が電極電解質接合体（以下、ＭＥＡという。）８６を形成している。

ＭＥＡ８６の外側には、これを機械的に固定するとともに隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板８７が配されている。セパレータ板の電極８４、８４’と接触する部分には、電極に反応ガスを供給し、かつ、反応で発生したガスや水分または余剰のガスを運び去るためのガス流路８８、８８’が形成されている。
また、図４では、２セル毎に配されたセパレータ板８７の内部に、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却水流路８９が設けられている。

一般に燃料電池は、出力電圧を高くするために、数十から数百の単電池を積層させて用いる。そして、多数の薄板状の構成要素を均一に圧接するために、積層体の両端部には強固な端板を設置し、これをタイロッドと皿バネ等を用いて締め付けている。タイロッドは、積層体の側面よりも張り出した端板の外周部に設置される場合や、積層体の積層方向に貫通孔を設けて適切なシールを施し、積層体内部に設置される場合がある。ただし、後者の場合、電解質膜、電極およびセパレータの面積の有効利用という観点からは不利となる。

燃料電池には、いわいる内部マニホルド型電池と外部マニホルド型電池とがある。マニホルドとは、各単電池に対してガスの供給と排出、さらには冷却水の供給と排出を行う手段を意味する。内部マニホルド型は積層体内部にマニホルドを確保した電池であり、外部マニホルド型はマニホルドを積層体側面に配した電池である。

図５に外部マニホルド型電池の一例の一方の外部マニホルドを外した状態の斜視図を示す。燃料電池７１の端面には、流体の供給排出口７２があり、この端面に外部マニホルド７３が取り付けられる。各種流体はマニホルドに取り付けられた配管５４から供給および排出される。

また、図６に内部マニホルド型電池の一例の一方の端板を外した状態の斜視図を示す。燃料電池６１を構成するセパレータおよびＭＥＡには、各種流体が流れるマニホルド孔６２があいている。これらが、端板６３に取り付けられた配管６４と連通して流体の供給および排出を行う。前記積層体内部にタイロッドを設置するタイプでは、この内部マニホルド孔をタイロッドの貫通孔として用いる場合が多い。

ところで燃料電池の一つの利用分野として、車両の動力源が挙げられる。しかし、一般道路を走行する車両に燃料電池を積載する場合、走行時に発生する各種の振動が燃料電池の積層体に影響を及ぼす。特に自動車に積載する燃料電池では、数百枚もの電極とセパレータ板とを積層するため、積層方向と直交する方向の振動に対して根本的に弱い構造となっている。そのため振動によって積層体にずれが発生する可能性がある。

前記問題点に対し、従来の燃料電池においては、積層体を締め付けるためのタイロッドが、積層体のずれをある程度抑制する働きをなしている。しかし、一般にタイロッドは積層体の側面と直接に接しない離れた位置にあるため、積極的かつ有効に耐振性の向上をはかるものではない。

また、乗用車への積載を考えた場合、スペースの確保という観点から、その積載場所は乗員室の床下に設置することが念頭に置かれている。そのため燃料電池の高さは著しく制限され、積層体の全側面にタイロッドを設置することは困難である。そこで、積層体内部に貫通孔を設けてタイロッドを設置し、これで耐震性および耐衝撃性をもたせることも考えられる。しかし、有効電極面積を得るためには、電解質膜、電極等の高価な材料の使用量を増加させる必要があり、コスト的に不利となる。

本発明は、前記問題点に鑑み、積層体の構造を安定化させ、車両に搭載したときに加わる各種の振動や衝撃で積層体にずれが発生したりする可能性をほとんど無くし、かつ、車載に適するように燃料電池の大きさを抑えることを目的とする。

本発明は、電解質層と、前記電解質層を挟持する触媒反応層を有する一対の電極と、一方の電極に燃料を供給し、他方の電極に酸化剤を供給するための流路を有する導電性セパレータとの積層体からなり、前記積層体の側面に前記積層体の積層方向と同等の長さを有する１枚以上の補強板を取り付けたことを特徴とする燃料電池に関する。

なかでも、本発明は、前記積層体の端部に、端板と、前記端板に接して前記積層体に積層方向の圧力を加える締め付け具とを配置し、前記積層体の少なくとも一対の相対する側面の各々に前記積層体の積層方向と同等の長さを有する２枚以上の補強板を取り付け、前記複数の補強板が前記締め付け具と連結して前記積層体を締め付けている燃料電池に関する。
また、前記補強板は、曲げに対して強度を向上させた構造を有することが好ましい。

本発明によれば、積層体の構造を安定化させ、車両に搭載したときに加わる各種の振動や衝撃で積層体にずれが発生したりする可能性をほとんど無くし、かつ、車載に適するように燃料電池積層体の大きさを抑えることができる。さらに、信頼性向上のために要する部品点数や重量の増加を最小限に留めることができる。

補強板を取り付ける方法を説明するための本発明の実施例１に係る燃料電池の斜視図である。 （ａ）は積層体を締め付ける補強板を積層体に取り付ける方法を説明するための本発明の実施例２に係る燃料電池の斜視図、（ｂ）はマニホルド側からみた断面図である。 本発明の実施例３に係る補強板の横断面図である。 固体高分子電解質型燃料電池の一例を示す要部の概略断面図である。 外部マニホルド型電池の一例において一方の外部マニホルドを外した状態の斜視図である。 内部マニホルド型電池の一例において一方の端板を外した状態の斜視図である。

本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層を挟持する触媒反応層を有する一対の電極と、一方の電極に燃料を供給し、他方の電極に酸化剤を供給するための流路を有する導電性セパレータとの積層体の側面に、積層体の積層方向と同等の長さを有する１枚以上の補強板が密着して取り付けてある。
前記補強板は、積層体の両端部に配された端板を利用して強固に固定することが望ましい。そのようにすることで、補強板により、振動および衝撃による積層方向と直交する方向への積層体のずれが抑制される。

前記補強板の材質としては、金属、ファイバー補強プラスチックス、各種エンジニアリングプラスチック等、強度に優れる材料を用いることが好ましい。なお、前記補強板が、導電性を有する材料、例えば金属、カーボン繊維含有プラスチックス等からなり、さらに、積層体の側面に導電性セパレータの端部が露出して短絡のおそれがある場合には、適当な絶縁板を前記補強板と積層体側面との間に挟持させればよい。また、軽量化の観点からは、ファイバー補強プラスチックス、各種エンジニアリングプラスチック等を用いることが好ましい。

前記補強板は、前記積層体の少なくとも一対の相対する側面の各々に取り付けることが、耐振性および耐衝撃性のさらなる向上の観点から好ましい。また、これらの補強板は、次に説明する締め付け具と一体化させて用いることが好ましい。なぜなら、積層体を締め付け具によって積層方向に締め付けるとともに、相対する側面にある補強板によって積層方向に対して直交する方向に締め付けることができるからである。特に、補強板と締め付け具とを連結させることにより、積層体を上下左右から締め付けることができ、積層された各構成要素の横方向へのずれを防ぐことができる。

前記締め付け具とは、積層体の両端部に配された各端板に圧力を加えるための手段を具備する一対の部品である。前記部品の形状に限定はないが、端板に均一に圧力を加えるなどの観点から、板状であることが好ましい。例えば一方の板状部品にボルトの穴を設け、他方の板状部品に皿バネを設け、これらで積層体を挟み、各板状部品の端部と各補強板の端部とを連結して一体化させる。補強板と締め付け具との連結には、連結部分の自由度が大きいという点から、蝶番の形状を持たせることが好ましい。こうして積層体を一対の補強板と一対の板状部品で囲んだのちにボルトを締めていくと、その囲みの内側に配された積層体を締め付けることができる。すなわち、補強板は、積層体を補強するとともに、締め付ける役割を果たす。

前記のように補強板が積層体を締め付ける手段の一部として作用すると、耐振性および耐衝撃性を向上させた燃料電池の構造の簡素化やコスト低減に寄与できる。また、積層体を締め付けるために補強板にかかるテンションが、積層方向に対して直交する方向への補強板の変形を効果的に抑制している。

なお、補強板は、積層体を均一に締め付け、かつ、補強効果を充分にもたせる観点から、２対以上、すなわち４枚以上用いることが好ましい。

本発明の効果をさらに向上させるには、補強板の曲げに対する強度を向上させることが好ましい。例えば平板の片面に、断面がＩ型、Ｈ型、口型等の形状をした棒状の補強構造物や円形パイプを一定間隔で積層方向に対して直交する方向に配してなる補強板が好ましい。また、補強板自体の断面が矩形波状、ハニカム形状、連続三角形状となるように補強板を加工するなどしてもよい。

次に、本発明の燃料電池を、固体高分子電解質型燃料電池の実施例に基づいて具体的に説明する。

《実施例１》
図１に沿って説明する。本実施例で用いた積層体１の寸法は、端板２を含む積層方向の長さが５０ｃｍ、巾３０ｃｍおよび高さ１１ｃｍである。この積層体では、締め付けを短側面にあるタイロッド３と電極部を貫通する２本のタイロッド３’で行っている。タイロッド３’は内部マニホルド孔４の中心部を貫通している。タイロッド３’の周囲は絶縁被膜で覆われており、タイロッド３’と電極およびセパレータとは絶縁されている。また、補強板５としては、厚さ１．５ｍｍ、長さ５０ｃｍおよび巾２０ｃｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の板を用いた。さらに、曲げに対して強度を向上させるために、補強板５を断面が矩形波状になるように成形した。補強板５の両端部は、端板の側面に補強板取り付けボルト６を用いて固定した。ただし、積層方向にある程度可動な固定方式を採用し、熱膨張または含水率の変化に起因する積層電池全長の変化に追従できるようにした。なお、本実施例に係る積層体の側面には、セパレータその他の導電性部分が露出しているため、補強板５の積層体と接する側にはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）製の絶縁シート７を接着した。

組み立てられた燃料電池を補強板が積層体の上面になるように振動試験機に固定し、振動試験を行った。なお、補強板を燃料電池の上面に設置するのは、燃料電池の下面は車体シャーシにより変形が抑制されるので、補強板がより有効に機能するのは上面側となるからである。上下、左右方向について最大２Ｇが印加される振動試験を計２４時間行ったところ、セパレータその他の積層体の構成要素のずれ等および燃料電池の変形は認められなかった。

《比較例１》
補強板を設置しなかったこと以外は、実施例１と同様に燃料電池を組み立てた。この燃料電池について、実施例１と同様の振動試験を行ったところ、積層体の上面に若干のたわみが認められた。たわみが発生したのは、内部マニホルド内縁とタイロッドとのクリアランスに相当する距離に関しては動きが抑制されないため、積層体が振動でずれを生じたためと考えられる。
以上より、本発明によれば、従来の燃料電池に比べて、その高さ方向の増加を最小限に留めた状態で、耐震性および耐衝撃性を向上できることが示された。

《実施例２》
図２に沿って説明する。本実施例では、積層体として実施例１と同様の寸法のものを用いたが、内部マニホルドの代わりに外部マニホルドを採用した。すなわち、本実施例の積層体２１の相対する一対の側面には、図２（ａ）に示すように外部マニホルド２２を設置した。また、もう一対の側面には、積層体の積層方向と同等の長さを有し、積層体を締め付けるための手段の一部としても機能する計４枚の補強板２３を設置した。これらは図２（ｂ）に示すように締め付け具２４、２４’と連結して、端板２５、２５’を跨ぐ形で取り付けた。補強板２３はステンレス鋼製で実施例１と同様の断面形状を有するものを用いた。前記４枚の補強板の積層体２１と接する側には絶縁シート２８が張り付けられている。各補強板は厚さ１ｍｍ、長さ４５ｃｍ、巾１０ｃｍである。

締め付け具について、図２（ｂ）を参照して説明する。この図は外部マニホルド２２が設置されている方向から見た燃料電池の断面図である。
締め付け具２４は、蝶番２９によって補強板２３の一方の端部に連結されている。補強板２３の他方の端部は、積層体２１の反対側に配され、かつ、皿バネ２６を具備する第２の締め付け具２４’と蝶番２９’によって連結されている。締め付け具２４には締め付け用ネジ２７が組み込まれており、ネジ２７を締めていくと、端板２５に圧力がかかる。このとき同時に他方の締め付け具２４’に設置された皿バネ２６により、他方の端板２５’にも圧力がかけられる。その結果、端板２５と２５’に挟まれた積層体２１が締め付けられる。前記４枚の補強板は、いわばタイロッドの代わりに締め付けに伴って発生するテンションを保持している。また、それと同時に、積層体２１に積層方向に対して直交する方向の圧力をかけている。

この燃料電池について、実施例１と同様の振動試験を行ったところ、積層体の変形等の問題は認められなかった。なお、本実施例の燃料電池は、タイロッドを用いる必要がないため、よりコンパクトであった。また、締め付けに伴うテンションにより、補強板の積層方向に対して直交する方向への対抗力が増大しているため、積層体の振動等によるずれを抑える効果は、実施例１に比べてさらに向上していると考えられる。

《実施例３》
本実施例では、補強板の構造を変えて曲げに対する強度をさらに向上させたこと以外、実施例１と同様の燃料電池を組み立てた。具体的には図３に示すような断面を有する構造の補強板を用いた。この補強板は、厚さ１ｍｍの補強板３１の背面に、切り口（断面）の形状が縦１０ｍｍ、横２０ｍｍの口型で材料の厚さが１ｍｍの中空構造物３２を溶接により取り付けたものである。この構造によれば、比較的軽量であり、かつ、高い曲げ強度を有する補強板が得られる。この燃料電池について、実施例１と同様の振動試験を行ったところ、積層体の変形等は全く発生しなかった。また、さらに加速度の大きい衝撃試験（推定加速度４Ｇ、１０回印加）を行っても問題は生じなかった。

１ 積層体
２ 端板
３、 ３’ タイロッド
４ 内部マニホルド孔
５ 補強板
６ 補強板取り付けボルト
７ 絶縁シート
２１ 積層体
２２ 外部マニホルド
２３ 補強板
２４、２４’ 締め付け具
２５、２５’ 端板
２６ 皿バネ
２７ 締め付け用ネジ
２８ 絶縁シート
２９、２９’ 蝶番
３１ 補強板
３２ 中空構造物
５４、６４ 配管
６２ マニホルド孔
６３ 端板
７１、６１ 燃料電池
７２ 流体の供給排出口
７３ マニホルド
８１ 高分子電解質膜
８２、８２’ 触媒反応層
８３、８３’ 拡散層
８４、８４’ 電極
８５ シール材
８６ 電極電解質接合体
８７ セパレータ板
８８、８８’ ガス流路
８９ 冷却水流路

Claims (6)

1. 電解質層、前記電解質層を挟持する触媒反応層を有する一対の電極、および、一方の電極に燃料を供給し、他方の電極に酸化剤を供給するための流路を有する導電性セパレータの積層体と、前記積層体の両端に配置された一対の端板とを有する燃料電池であって、
   前記燃料電池は、前記積層体の積層方向が、重力方向と直交するように配置されており、
   前記積層体の側面のうち、少なくとも上面側および下面側に配置された補強板を有し、
   前記補強板の両端部は、前記一対の端板にそれぞれ取り付けられており、
   前記積層体の積層方向に直交する前記補強板の断面は、矩形波状、ハニカム形状または連続三角形状を有する、燃料電池。
2. 電解質層、前記電解質層を挟持する触媒反応層を有する一対の電極、および、一方の電極に燃料を供給し、他方の電極に酸化剤を供給するための流路を有する導電性セパレータとの積層体と、前記積層体の両端に配置された一対の端板とを有する燃料電池であって、
   前記燃料電池は、前記積層体の積層方向が、重力方向と直交するように配置されており、
   前記積層体の側面のうち、少なくとも上面側および下面側に配置された補強板を有し、
   前記補強板の両端部は、前記一対の端板にそれぞれ取り付けられており、
   前記補強板は、前記積層体の積層方向に対して直交する方向に一定間隔で配された、棒状の補強構造物または円形パイプを有する、燃料電池。
3. 前記補強板は、前記積層体の二対の相対する側面にそれぞれ配置されている、請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記補強板は、前記積層体の積層方向と同等の長さを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記補強板は、金属である、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記補強板と前記積層体との間に絶縁板が配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。

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