JP2010192362A

JP2010192362A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010192362A
Application number: JP2009037533A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Komatsu; 寛和小松; Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Itaru Shibata; 格柴田; Noriko Uchiyama; 典子内山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP5273590B2

Abstract

【課題】従来の燃料電池は、積層した燃料電池セルを締結するボルトの締め付けにより、燃料電池セルを破損する恐れがあった。
【解決手段】扁平な燃料電池ユニットＵを複数枚積層するとともに各燃料電池ユニットＵを貫通するボルト９によりこれらを締結した燃料電池スタックＳを備え、燃料電池ユニットＵが、燃料電池セル４とセパレータ板６との間に弾性的に介装して両者間を電気的に接続する集電体１８を備え、ボルト９による締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体１８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体１８Ｂの弾性力よりも小さくしたことにより、各燃料電池ユニットＵを締結するボルト９の締め付けに際し、応力を分散させて燃料電池セル４の破損を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、扁平な燃料電池ユニットを複数枚積層して成る燃料電池スタックを備えた燃料電池の改良に関するものである。

従来の燃料電池としては、例えば特許文献１に記載されているように、扁平な燃料電池ユニットを複数枚積層して燃料電池スタックを構成したものがある。この燃料電池を構成する燃料電池ユニットは、発電要素である燃料電池セルと、燃料電池セルとの間にガス流路を形成するセパレータ板を備えると共に、燃料電池セルとセパレータ板との間に、両者間を電気的に接続する集電体を介装した構造になっている。

上記の集電体としては、例えば特許文献２に記載されているように、基板に、多数の板ばね状舌片を切り起しによって形成したものがある。この集電体は、板ばね状舌片を燃料電池セルに圧接させて、燃料電池セルとセパレータ板との間を電気的に接続する。

特開２００４−１３９９６０号公報特開２００７−２６５８９６号公報

ところで、上記したような燃料電池は、扁平な燃料電池ユニットを複数枚積層すると共に、各燃料電池ユニットを貫通するボルト・ナットによりこれらを締結する。ところが、従来の燃料電池にあっては、燃料電池セルの全体にわたって一定の弾性率を有する集電体を用いていたため、ボルトの締め付けにより締結部に過大な荷重が生じて燃料電池セルを破損する恐れがあり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、燃料電池ユニットを複数枚積層して成る燃料電池スタックを備えた燃料電池において、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際して燃料電池セルの破損を防止することができる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、扁平な燃料電池ユニットを複数枚積層するとともに各燃料電池ユニットを貫通するボルトによりこれらを締結した燃料電池スタックを備えている。燃料電池ユニットは、燃料電池セルとセパレータ板との間に弾性的に介装して両者間を電気的に接続する集電体を備えている。

そして、当該燃料電池は、ボルトによる締結部近傍の領域における単位面積あたりの集電体の弾性力が、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体の弾性力よりも小さい構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決する手段としている。

本発明の燃料電池は、燃料電池ユニットを複数枚積層して成る燃料電池スタックを備えた燃料電池において、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際し、応力を分散させて燃料電池セルの破損を防止することができ、ひいては品質や信頼性の向上などを実現することができる。

本発明の燃料電池の一実施形態を説明する断面図である。本発明の燃料電池の他の実施形態における集電体の平面図（ａ）及び分解状態の斜視図（ｂ）である。本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における集電体の平面図である。本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における集電体の平面図である。本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における集電体の平面図である。本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における集電体の平面図である。本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における集電体の各々断面図（ａ）（ｂ）である。

図１に示す実施形態の燃料電池ＦＣは、円形の扁平な燃料電池ユニットＵを複数枚備えると共に、これらの燃料電池ユニットＵを所定間隔で積層して燃料電池スタックＳを構成している。燃料電池ユニットＵは、発電要素として、電解質層１を燃料極層２と空気極層３とで挟んだ固体電解質型の燃料電池セル４を備えると共に、燃料極層２との間に燃料ガスのガス室５を形成するセパレータ板６を備えた袋綴じ構造になっている。

燃料電池ユニットＵは、セパレータ板６に、燃料極層２に弾性的に接触する内部集電体７と、隣接する燃料電池ユニットＵの空気極層３に弾性的に接触する外部集電体１８を備えている。また、燃料電池ユニットＵは、個々の中心部に、積層状態で互いに連通する燃料ガスの供給路及び排出路を形成すると共に、ガス室５に連通する燃料ガスの導入孔及び排出孔を有している。

図示の燃料電池ＦＣは、積層した燃料電池ユニットＵを貫通するボルト９及びナット１０により各燃料電池ユニットＵを締結して燃料電池スタックＳを構成し、その両側（上下両側）にエンドブラケットＢ，Ｂが連結してある。また、燃料電池ＦＣは、図示しないケースに燃料電池スタックＳを収容する。

そして、燃料電池ＦＣは、各燃料電池ユニットＵのガス室５に燃料ガスを供給すると共に、ケース内に酸化剤ガスである空気を導入して、その空気を燃料電池ユニットＵ間に流通させる。これにより、燃料電池ＦＣは、燃料電池セル４の燃料極層２及び空気極層３に燃料ガス及び空気が供給され、電気化学反応により電気エネルギを発生する。

ここで、上記の燃料電池ＦＣは、とくに外部集電体１８において、ボルト９による締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体の弾性力が、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体の弾性力よりも小さいものとなっている。なお、締結部近傍の領域Ａとは、ボルト９の締め付けによる積層方向の荷重が直接的に加わる範囲であって、例えばボルト９の頭部及びナット１０との間に夫々介装する皿ばね（図中に点線で示す）１１，１１の大きさに対応する範囲である。また、集電体の単位面積あたりの弾性力とは、相手部材に対する圧力あるいは反発力である。

より具体的には、燃料電池ＦＣは、締結部近傍の領域Ａには、金属繊維製のフェルト又はメッシュやコイルばねから成る円筒形の集電体１８Ａが設けてあり、それ以外の領域には、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体１８Ｂが設けてある。また、締結部近傍の領域Ａの集電体８Ａは、燃料電池セル４及びセパレータ板６に対して面接触する。

内部集電体７は、板ばね状を成すもので、締結部近傍の領域Ａ以外の領域に設けてある。板ばね状の集電体７，１８Ｂは、例えば、プレス加工によって基盤から切り起す要領で形成することができる。

そして、上記の燃料電池ＦＣは、締結部近傍の領域Ａにおける集電体１８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体１８Ｂの弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体８の弾性力を異ならせている。すなわち、集電体の弾性率を変えることで、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体１８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体１８Ｂの弾性力よりも小さくしている。

上記の燃料電池ＦＣは、ボルト９で締め付けた際に、締結部近傍の領域Ａにおける集電体１８Ａの弾性率が小さくてひずみ易いので、同領域Ａにおける燃料電池セル４への荷重が軽減される。これにより、燃料電池ＦＣは、締結時の応力を分散させて燃料電池セル４の破損を防止することができ、品質や信頼性の向上などを実現し得るものとなる。また、燃料電池セル４及びセパレータ板６に対して面接触する集電体１８Ａとしたことにより、応力集中を回避して燃料電池セル４の破損をより確実に防止する。

図２に示す集電体２８は、円形の基盤２８Ｐを備えている。基盤２８Ｐは、中心に燃料ガスの流路部２８Ｆを有すると共に、この流路部２８Ｆを包囲する環状のシール部２８Ｓを有している。また、基盤２８Ｐにおいて、締結部近傍の領域Ａには、金属繊維製のフェルト状の集電体２８Ａが設けてあり、それ以外の領域には、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体２８Ｂが設けてある。

そして、上記の集電体２８は、先の実施形態と同様に、締結部近傍の領域Ａにおける集電体２８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体２８Ｂの弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体２８の弾性力を異ならせている。すなわち、集電体の弾性率を変えることで、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体２８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体２８Ｂの弾性力よりも小さくしている。また、締結部近傍の領域Ａの集電体２８Ａは、燃料電池セル及びセパレータ板に対して面接触する。

上記の集電体２８は、図１に示すような燃料電池ＦＣに用いることで、先の実施形態と同様に、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際して燃料電池セルの破損を防止することができる。また、締結部近傍の領域Ａの集電体２８Ａを面接触させることにより、応力集中を回避して燃料電池セルの破損をより確実に防止する。

図３に示す集電体３８は、中心の流路部３８Ｆ及びシール部３８Ｓを有する円形の基盤３８Ｐを備えている。基盤３８Ｐにおいて、締結部近傍の領域Ａには、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体３８Ａが設けてあり、それ以外の領域には、同じく所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体３８Ｂが設けてある。

上記の集電体３８は、締結部近傍の領域Ａの集電体３８Ａ及びそれ以外の領域の集電体３８Ｂをほぼ同等の密度で分布させている。そのうえで、集電体３８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体３８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体３８Ｂの弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体３８の弾性力を異ならせている。すなわち、集電体の弾性率を変えることで、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体３８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体３８Ｂの弾性力よりも小さくしている。

上記の集電体３８は、図１に示すような燃料電池ＦＣに用いることで、先の実施形態と同様に、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際し、応力を分散させて燃料電池セルの破損を防止することができる。

図４に示す集電体４８は、中心の流路部４８Ｆ及びシール部４８Ｓを有する円形の基盤４８Ｐを備えている。基盤４８Ｐにおいて、締結部近傍の領域Ａには、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体４８Ａが設けてあり、それ以外の領域には、同じく所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体４８Ｂが設けてある。

上記の集電体４８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体４８Ａの分布密度を、それ以外の領域における集電体４８Ｂの分布密度よりも高くしている。そのうえで、集電体４８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体４８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体４８Ｂの弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体４８の弾性力を異ならせている。すなわち、集電体の分布密度及び弾性率を変えることで、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体４８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体４８Ｂの弾性力よりも小さくしている。板ばね状の集電体４８Ａ，４８Ｂの弾性率は、板幅の調整などにより設定することが可能である。

上記の集電体４８は、図１に示すような燃料電池ＦＣに用いることで、先の実施形態と同様に、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際し、応力を分散させて燃料電池セルの破損を防止することができる。また、締結部近傍の領域Ａにおける集電体４８Ａの分布密度を高くすることで、点接触による応力集中を防いで、燃料電池セルの破損をより確実に防止することができる。

図５に示す集電体５８は、中心の流路部５８Ｆ及びシール部５８Ｓを有する円形の基盤５８Ｐを備えている。基盤５８Ｐにおいて、締結部近傍の領域Ａには、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体５８Ａが設けてあり、それ以外の領域には、同じく所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体５８Ｂが設けてある。

上記の集電体５８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体５８Ａの分布密度を、それ以外の領域における集電体５８Ｂの分布密度よりも低くすることで、単位面積あたりの集電体５８の弾性力を異ならせている。すなわち、集電体の分布密度を変えることで、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体５８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体５８Ｂの弾性力よりも小さくしている。

上記の集電体５８は、分布密度の相違だけで単位面積あたりの集電体５８の弾性力が異なるので、全領域に対して、同等の弾性率を有する集電体５８Ａ，５８Ｂを用いることができる。また、集電体５８は、上記の如く分布密度を相違させたうえで、締結部近傍の領域Ａにおける集電体５８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体５８Ｂの弾性率よりも小さくしても良い。

上記の集電体５８は、図１に示すような燃料電池ＦＣに用いることで、先の実施形態と同様に、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際し、応力を分散させて燃料電池セルの破損を防止することができる。

図６に示す集電体６８は、中心の流路部６８Ｆ及びシール部６８Ｓを有する円形の基盤６８Ｐを備えている。また、基盤６８Ｐにおいて、締結部近傍の領域Ａには、金属繊維製のメッシュ状の集電体６８Ａが設けてあり、それ以外の領域には、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体６８Ｂが設けてある。

そして、上記の集電体６８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体６８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体６８Ｂの弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体６８の弾性力を異ならせている。すなわち、集電体の弾性率を変えることで、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体６８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体６８Ｂの弾性力よりも小さくしている。また、締結部近傍の領域Ａの集電体６８Ａは、燃料電池セル及びセパレータ板に対して面接触する。

しかも、上記の集電体６８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体６８Ａの弾性率が、締結部中心に向かって漸減したものとなっている。このとき、弾性率は、連続的あるいは段階的に変化させることができる。また、この実施形態のように集電体の弾性率を漸減させる場合、その変化の範囲としては、締結部近傍の領域Ａだけでなく、同領域Ａの周囲部分を含めても良い。

上記の集電体６８は、図１に示すような燃料電池ＦＣに用いることで、先の実施形態と同様に、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際し、応力を分散させて燃料電池セルの破損を防止することができる。また、締結部近傍の領域Ａの集電体６８Ａを面接触させることにより、応力集中を回避して燃料電池セルの破損をより確実に防止する。

また、上記実施形態の構成において、メッシュ状の集電体６８Ａを用いる場合には、締結部中心に向かって連続的に線径の細いメッシュを用いることで弾性率を漸減させることができる。さらに、板ばね状の集電体を用いる場合、片持ちばねの計算式として、たわみ量δはδ＝４ｐｌ３／Ｅｂｔ３（１− ν２）で表される。なお、ポアソン比νは鋼の場合約０．３、縦弾性係数ＥはＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵで２２０×１０３Ｎ／ｍｍ^２、ｔは板厚（ｍｍ）、ｂは板幅（ｍｍ）、ｐは荷重（Ｎ）、ｌは支点から荷重点までの距離（ｍｍ）である。

図７に示す集電体７８は、セパレータ板６に接合する基盤７８Ｐを備えている。図示のセパレータ板６の下面には、内部集電体（図１参照）７が設けてある。基盤７８Ｐにおいて、締結部近傍の領域Ａには、金属繊維製の板状のフェルト７８ａ、フェルト７８ａと基盤７８Ｐの間に介装したコイルばね７８ｂ、及びコイルばね７８ｂの内側のばねホルダ７８ｃを備えた集電体７８Ａが設けてある。また、締結部近傍の領域Ａ以外の領域には、所定間隔で配列した多数の板ばね状の集電体７８Ｂが設けてある。

そして、上記の集電体７８は、締結部近傍の領域Ａにおける集電体７８Ａの弾性率を、それ以外の領域における集電体７８Ｂの弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体７８の弾性力を異ならせている。すなわち、締結部近傍の領域Ａにおける単位面積あたりの集電体７８Ａの弾性力を、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体７８Ｂの弾性力よりも小さくしている。また、締結部近傍の領域Ａの集電体７８Ａは、燃料電池セル及びセパレータ板に対して面接触する。

上記の集電体６８は、図１に示すような燃料電池ＦＣに用いることで、先の実施形態と同様に、各燃料電池ユニットを締結するボルトの締め付けに際し、応力を文案させて燃料電池セルの破損を防止することができる。また、締結部近傍の領域Ａの集電体７８Ａを面接触させることにより、応力集中を回避して燃料電池セルの破損をより確実に防止する。さらに、締結部近傍の領域Ａの集電体７８Ａは、フェルト７８ａ、コイルばね７８ｂ、及びばねホルダ７８ｃを備えた構造体とすることで、通常の集電機能に加えて、弾性率の設定や調整の自由度を高めることができるといった利点がある。

本発明の燃料電池において、ボルトによる締結部近傍の領域における集電体は、板ばね状、フェルト状及びメッシュ状のうちのいずれかの形状を成しているものとすることができる。とくに、燃料電池セル及びセパレータ板の少なくとも一方に対して面接触する構成の場合には、フェルト状及びメッシュ状のいずれか一方の形状を成しているものとすることができる。

また、本発明の燃料電池において、ボルトによる締結部近傍の領域における集電体は、板ばね、コイルばね、及び皿ばねのうちのいずれか一つのばねを含み、このほか、ばね座やばねホルダ等の補助部品を含む構成とすることができる。

なお、本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の構成を組み合わせたり構成の細部を適宜変更することが可能である。また、円形以外の形状の燃料電池ユニットや、複数箇所にボルトを貫通させる構成にも適用することが可能であり、複数のボルトで締結する場合には締結部近傍の領域も複数になる。

ここで、全体的に一定の弾性率を有する集電体を用いた燃料電池を従来例とし、図４に示す集電体４８を用いた燃料電池を実施例１とし、図２又は図７に示す集電体２８，７８を用いた燃料電池を実施例２として、評価前室温、６５０°での運転、及び評価後室温におけるＨｅガス漏れ率を求めた。評価前室温は運転前の室温、評価後室温は運転後の室温であって、これらの室温でのＨｅガスリークを評価した。その結果を表１に示す。

その結果、従来例では、６５０°での運転及び評価後室温においてＨｅガス漏れ率が高くなったが、実施例１及び２では、いずれの状態においてもＨｅガス漏れ率が極めて低いものとなった。これにより、本発明の燃料電池は、ボルトの締結時における燃料電池セルの破損防止の効果や高シール性が得られることが判明した。

ＦＣ燃料電池
Ｓ燃料電池スタック
Ｕ燃料電池ユニット
４燃料電池セル
６セパレータ板
９ボルト
１８２８集電体
３８４８集電体
５８６８７８集電体
１８Ａ２８Ａ領域Ａの集電体
３８Ａ４８Ａ領域Ａの集電体
５８Ａ６８Ａ７８Ａ領域Ａの集電体
１８Ｂ２８Ｂ領域Ａ以外の集電体
３８Ｂ４８Ｂ領域Ａ以外の集電体
５８Ｂ６８Ｂ７８Ｂ領域Ａ以外の集電体

Claims

扁平な燃料電池ユニットを複数枚積層するとともに各燃料電池ユニットを貫通するボルトによりこれらを締結した燃料電池スタックを備え、
燃料電池ユニットが、燃料電池セルとセパレータ板との間に弾性的に介装して両者間を電気的に接続する集電体を備え、
ボルトによる締結部近傍の領域における単位面積あたりの集電体の弾性力が、それ以外の領域における単位面積あたりの集電体の弾性力よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体の弾性率を、それ以外の領域における集電体の弾性率よりも小さくすることで、単位面積あたりの集電体の弾性力を異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体の密度を、それ以外の領域における集電体の密度よりも高くしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体の密度を、それ以外の領域における集電体の密度よりも低くすることで、単位面積あたりの集電体の弾性力を異ならせたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体の弾性率が、締結部中心に向かって漸減していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体が、板ばね状、フェルト状及びメッシュ状のうちのいずれかの形状を成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体が、燃料電池セル及びセパレータ板の少なくとも一方に対して面接触していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体が、フェルト状及びメッシュ状のいずれか一方の形状を成していることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
ボルトによる締結部近傍の領域における集電体が、板ばね、コイルばね、及び皿ばねのうちのいずれか一つのばねを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
燃料電池セルが、固体電解質型の燃料電池セルであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。