JP2014225394A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつ複数の膜・電極接合体を積層して構成したとしても特定の膜・電極接合体を容易に交換可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】 複数の膜・電極接合体４が、一方の面に燃料供給路が形成されかつ他方の面に空気供給路が形成されているバイポーラプレート８を挟んで積層され、これらの膜・電極接合体４およびバイポーラプレート８が積層される方向に荷重を掛ける固定具７によって結束される燃料電池スタック６において、膜・電極接合体４および膜・電極接合体４を挟み込んでいるバイポーラプレート８からなる単数もしくは複数の構成体５と、互いに長手方向に連結されることにより固定具７を構成する連結片１２とが一体化されて電池ユニット１３を構成し、それらの電池ユニット１３が積層されるとともに各電池ユニット１３における連結片１２同士が着脱可能に連結されている。【選択図】図１

Description

この発明は、電気化学的反応によって起電力を生じる単電池を積層して構成される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池は、要は、燃料をプロトン（水素イオン）と電子とに分離させ、その電子を電流として外部の電気負荷に取り出し、プロトンは電解質を透過させた後に酸化させる発電手段である。この種の燃料電池の一例としてダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が知られている。ＤＭＦＣは、メタノールを燃料とするから取り扱いが容易であり、また低温で動作し、さらに燃料のエネルギ密度が高いなどの利点があり、その反応は、下記の式で表される。
アノードにおける触媒反応
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ^＋ 十 ６ｅ⁻
カソードにおける触媒反応
３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ

上記の反応は電解質膜を介して行われ、そのための原理的な構成は従来知られている。ＤＭＦＣの原理的な構成について簡単に説明すると、電解質膜を挟んで一方の面側にアノード側の触媒層が設けられ、他方の面側に酸化剤としての空気を供給するカソード側の触媒層が設けられている。アノード側の触媒層は、一例としてメッシュ構造体の表面に白金とルテニウムとの混合物が被覆されて構成されており、カソード側の触媒層は、一例としてメッシュ構造体の表面に白金が被覆されて構成されている。それぞれの触媒層の外側つまり電解質膜とは反対側に多孔質材によって構成されたガス拡散層がそれぞれ配置され、そして最も外側に電極がそれぞれ配置されている。これらの電解質膜および各触媒層ならびに各ガス拡散層および各電極は互いに密着した状態に重ね合わされて一体化されている。これは膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membran Electrod Assembly）と称せられ、発電のための最少の構成を備えたもの（単電池）となっている。

ＤＭＦＣは発生する電力が少ないため、スマートフォンなどの携帯用電子機器のための電源以外の携帯型電源として、例えばラップトップパソコンなどのサブバッテリーもしくは定置式の電源として使用するためには多数の単電池を積層し、それらの単電池を直列に接続して１つの燃料電池スタックを構成する必要がある。その一例が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された燃料電池スタックの構造を簡単に説明すると、その燃料電池スタックは、金属板からなるセパレータと膜・電極接合体とを交互に積層した積層体の両端を、集電板、絶縁体およびエンドプレートで挟み込み、それらをタイロッドで固定して構成されている。セパレータと膜・電極接合体とを交互に積層する際に、セパレータと膜・電極接合体との少なくとも２辺を、永久磁石が設けられた突き当て部材に突き当てるとともに、その突き当て部材が少なくともセパレータを引きつけて位置決めするように構成されている。これにより、セパレータと膜・電極接合体との積層位置がずれることを回避できるとされている。

また、特許文献２に記載された燃料電池スタックは、積層部材であるセパレータとガスケットとガス拡散板と膜・電極接合体とが積層されて構成されており、その積層されたものの両面を端板で挟み込みこむように構成されている。また、燃料電池スタックを構成する各積層部材の位置又は形状の検出を行って、搬送ロボットと積層ロボットとにより効率よく燃料電池の積層部材を積層するように構成されている。

また、特許文献３に記載された燃料電池スタックは、発電セルを有するブロック同士の間に、冷却水流路を備えたセパレータと流体シールとを備えた冷却セルが挟まれて構成されている。上記の発電セルは、拡散板が一体化された膜・電極接合体とガスケットとが積層して構成されている。このようにして構成される発電セルとセパレータとを交互に積層して上記のブロックが構成されている。なお、ガスケットの両面が接着面となっており、このガスケットを介して膜・電極接合体とセパレータとが接着されて一体的に構成されている。

特開２００６−１４７２３２号公報 特開２００６−１６４８８１号公報 特開２００５−１９７１５３号公報

特許文献１ないし２に記載されている燃料電池スタックは、多数の単電池を積層しそれらの単電池を直列に接続して構成されている。そのため、例えば特定の単電池（具体的にはＭＥＡやセパレータ）での発電性能が低下し、もしくは発電ができなくなった場合には、燃料電池スタック全体での発電性能が低下し、または停止してしまう可能性がある。この特定の単電池を燃料電池スタックから取り除いて新たな単電池に交換するとすれば、積層された多数の単電池とセパレータとを順次分解して上記の特定の単電池のみを交換しなければならず、きわめて困難な作業を余儀なくされる。また、特許文献３に記載されている燃料電池スタックは、多数の発電セルを積層して構成されているブロック同士の間に、冷却水流路を備えたセパレータと流体シールとを備えた冷却セルを挟むために、全体としての構成が大型化してしまう虞がある。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、小型でかつ複数の膜・電極接合体を積層して構成したとしても特定の膜・電極接合体を容易に交換可能な燃料電池スタックを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、電気化学的反応によって起電力を生じる複数の膜・電極接合体が、前記膜・電極接合体に対向させられる一方の面に燃料供給路が形成され、かつ他方の面に空気供給路が形成されているバイポーラプレートを挟んで積層され、これらの膜・電極接合体およびバイポーラプレートが前記積層される方向に荷重を掛ける固定具によって結束される燃料電池スタックにおいて、前記膜・電極接合体および前記膜・電極接合体を挟み込んでいる前記バイポーラプレートからなる単数もしくは複数の構成体と、互いに長手方向に連結されることにより前記固定具を構成する連結片とが一体化されて電池ユニットを構成し、それらの電池ユニットが積層されるとともに、それぞれの電池ユニットにおける前記連結片が着脱可能に連結されていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記連結片は、互いに接近する方向に対して係合して一体化し、かつ互いに離隔する方向に荷重を受けた場合にはその係合が外れるように構成されていることを特徴とする燃料電池スタックである。

この発明によれば、膜・電極接合体およびその膜・電極接合体を挟み込んでいるバイポーラプレートからなる単数もしくは複数の構成体と、互いに長手方向に連結されることにより固定具を構成する連結片とが一体化されて電池ユニットを構成し、それらの電池ユニットが積層されるとともに、それぞれの電池ユニットにおける連結片が着脱可能に連結されている。そのため、使用する用途に合わせて、電池ユニットの積層数を変更することにより、燃料電池スタックの出力や高さを容易に変更することができる。電池ユニットを容易に着脱して燃料電池スタックの厚さを調整することができるため、燃料電池スタックを容易に小型化することができる。

また、燃料電池スタックにおいて膜・電極接合体またはバイポーラプレートの少なくともいずれか一方が機能しなくなった場合に、積層された多数の膜・電極接合体やバイポーラプレートを順次分解する必要がない。具体的には、機能しなくなった膜・電極接合体またはバイポーラプレートが含まれる電池ユニットの連結片と他の電池ユニットの連結片との係合状態を解消することにより、機能しなくなった電池ユニットを燃料電池スタックから取り除くことができる。したがって、燃料電池スタックにおける特定の膜・電極接合体を容易に修理または交換することができる。

この発明に係る燃料電池スタックの一例を模式的に示す図である。 この発明における固定具の一例を模式的に示す図である。 この発明に係る燃料電池スタックの一例において、電池ユニットを交換している状態を模式的に示す図である。

つぎに、この発明を具体的に説明する。図１はこの発明に係る燃料電池スタックの一例を模式的に示す図である。燃料電池１は、アノード側エンドプレート２とカソード側エンドプレート３とにより挟み込まれた少なくとも１つの膜・電極接合体４を有する構成体５と、複数の構成体５を積層しかつ連結して燃料電池スタック６を構成する固定具７とを備えている。また、燃料電池スタック６には、燃料が供給される流入口（図示せず）と、後述する膜・電極接合体４で反応に使用されなかったメタノール（いわゆる、オフメタノール）および反応生成物が排出される流出口（図示せず）とが設けられている。上記の各エンドプレート２，３は、例えば、グラファイトと樹脂との複合材や、チタンなどの金属材料によって構成されている。

先ず、膜・電極接合体４について説明する。詳細は図示しないが、膜・電極接合体４は、電解質膜を有しており、その電解質膜は従来知られているナフィオン（Nafion：登録商標）などから構成されている。電解質膜を挟んで一方の面側に燃料供給側（アノード側）の触媒層が設けられ、他方の面側に酸化剤としての空気を供給する側（カソード側）の触媒層が設けられている。アノード側の触媒層は、一例としてメッシュ構造体の表面に白金とルテニウムとの混合物が被覆されて構成され、カソード側の触媒層は、一例としてメッシュ構造体の表面に白金が被覆されて構成されている。それぞれの触媒層の外側（電解質膜とは反対側）に多孔質材によって構成されたガス拡散層が配置され、そして最も外側に電極がそれぞれ配置されている。これらの電解質膜および触媒層ならびにガス拡散層および電極は互いに密着した状態に重ね合わされて一体化されている。このように一体化された構成体が膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membran Electrod Assembly）と称せられ、発電のための最少の構成を備えている。

つぎに、構成体５の構成について説明する。構成体５は交互に積層されたＭＥＡ４とバイポーラプレート８とにより構成されており、図１に示す例では、その構成体５がアノード側エンドプレート２とカソード側エンドプレート３とにより挟み込まれている。より具体的に説明すると、図１に示すように、１つのＭＥＡ４ａは、アノード側エンドプレート２とバイポーラプレート８との間に挟み込まれている。詳細は図示しないが、アノード側エンドプレート２には、ＭＥＡ４ａのアノード側触媒層側に開口し、蛇行した細溝形状の燃料チャンネルが連続的に形成されている。この燃料チャンネルには、燃料タンクに貯留されているメタノールが燃料供給管路を介して供給されるように構成されている。

バイポーラプレート８は、ＭＥＡ４ａを他のＭＥＡ４ｂに対してシールして各ＭＥＡ４ａ，４ｂごとに発電をおこなわせるように構成されている。また、詳細は図示しないが、バイポーラプレート８の一方の面８ａには、ＭＥＡ側に開口してそのＭＥＡに酸化剤としての空気を供給するための、互いに平行な複数の細溝形状の空気供給チャンネルが形成され、他方の面８ｂには、ＭＥＡ側に開口してそのＭＥＡに燃料を供給するための、複数の蛇行した細溝形状の燃料供給チャンネルが形成されている。このバイポーラプレート８は、例えば合成樹脂材料もしくは合成樹脂材料と繊維との複合材料である繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）により構成されている。図１に示す例では、バイポーラプレート８の一方の面８ａがＭＥＡ４ａのカソード側に接触しており、バイポーラプレート８の他方の面８ｂが、ＭＥＡ４ｂのアノード側に接触している。

このＭＥＡ４ｂのカソード側には、他のバイポーラプレート９の一方の面９ａが接するように配置されている。このバイポーラプレート９は、上述したバイポーラプレート８と同様に構成されており、その一方の面９ａに空気供給チャンネルが形成され、他方の面８ｂに燃料供給チャンネルが形成されている。そして、バイポーラプレート９の他方の面９ｂに、さらに他のＭＥＡ４ｃのアノード側が接触して配置されている。このＭＥＡ４ｃのカソード側に、カソード側エンドプレート３が配置されている。

カソード側エンドプレート３には、ＭＥＡ４ｃのカソード側に開口した互いに平行な複数の細溝形状の空気チャンネル（図示せず）が形成されている。各空気チャンネルの両端部は外気に対して解放されており、その両端部を介して空気チャンネルに外気が導入されるように構成されている。

構成体５は、交互に積層されたＭＥＡ４とバイポーラプレート８とにより構成されているが、上述したように、構成体５を挟みこむアノード側エンドプレート２とカソード側エンドプレート３とを含んでもよい。なお、電池ユニットを構成する構成体５におけるＭＥＡの積層数は、単数でも複数でもよく、使用する用途に合わせてＭＥＡの積層数を変更すればよい。

また、燃料電池スタック６は、複数の構成体５を積層しかつそれらを直列に接続して構成されており、各構成体５は上述した固定具７によって着脱可能に連結されている。この固定具７は、長手方向に着脱可能に連結される複数の連結片１２により構成されている。連結片１２は、構成体５に一体化されており、これが電池ユニット１３となっている。連結片１２の長さあるいは高さは、構成体５の厚さあるいは高さとほぼ同じか、それよりも若干長く設定されている。そして、複数の電池ユニット１３が積層されかつ連結片１２によって連結されて燃料電池スタック６が構成されている。その燃料電池スタック６の両面６ａ，６ｂは、図１に示すように、端板１０，１１によって挟まれており、その燃料電池スタック６は端板１０，１１の外側からボルトやネジなどにより一体的に固定されている。各端板１０，１１は、例えば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂、および、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたいわゆるガラスエポキシ樹脂、ならびにポリブチレンテレフタレート樹脂などの絶縁体によって構成されている。

上記の連結片１２は、図１または図２に示すように、構成体５の位置決めおよび固定に用いられるものであって、円柱形状に形成されている。連結片１２の軸線方向の一方の端部には、図２に示すように、軸線方向に突出する円柱形状の凸部１２ａが形成されている。また、連結片１２の軸線方向の他方の端部には、軸線方向に円柱形状に窪んでおり上記の凸部１２ａに嵌まり合う凹部１２ｂが形成されている。この連結片１２は、他の連結片と互いに接近する方向に荷重を受けた場合に連結片の凸部１２ａと他の連結片の凹部とが係合して一体化し、これに対して、それらの連結片が互いに離隔する方向に荷重を受けた場合にはその係合が外れるように構成されている。つまり、図１に示すように、構成体５ａに一体化された連結片１２ｃと、他の構成体５ｂに一体化された連結片１２ｄとを嵌合することで、燃料電池スタック６を構成するようになっている。また、電池ユニット１３の積層数を変更することにより、燃料電池スタック６の高さを調整することができる。このように使用する用途に合わせて電池ユニット１３の積層数を変更できるため、燃料電池スタックは容易に小型化することができる。

次に、燃料電池スタック６において、特定のＭＥＡ４あるいは電池ユニット１３での発電性能が低下し、もしくは発電ができなくなった場合について説明する。電池ユニット１３は上述したように、連結片１２を有しているため、燃料電池スタック６に対して着脱可能になっている。そのため、図３に示す燃料電池スタック６において、ＭＥＡ４ｄまたはバイポーラプレート９ａの少なくともいずれか一方が機能しなくなったとしても、積層された多数のＭＥＡ４およびバイポーラプレート９を順次分解する必要がなく、図３に示すように、機能しなくなったＭＥＡ４ｄまたはバイポーラプレート９ａが含まれる電池ユニット１４のみを燃料電池スタック６から取り除くことができる。より具体的には、機能しなくなった電池ユニット１４の連結片１５と他の連結片１５ａ，１５ｂとに互いに離隔する方向に荷重をかけて、機能しなくなった電池ユニット１４のみを容易に取り外すことが可能である。したがって、燃料電池スタックにおける特定の単電池を容易に修理または交換することができる。

１…燃料電池、 ２…アノード側エンドプレート、 ３…カソード側エンドプレート、 ４…ＭＥＡ（単電池）、 ５…構成体、 ６…燃料電池スタック、 ７…固定具、 ８，９…バイポーラプレート、 １２…連結片、 １３…電池ユニット。

Claims (2)

1. 電気化学的反応によって起電力を生じる複数の膜・電極接合体が、前記膜・電極接合体に対向させられる一方の面に燃料供給路が形成され、かつ他方の面に空気供給路が形成されているバイポーラプレートを挟んで積層され、これらの膜・電極接合体およびバイポーラプレートが前記積層される方向に荷重を掛ける固定具によって結束される燃料電池スタックにおいて、
   前記膜・電極接合体および前記膜・電極接合体を挟み込んでいる前記バイポーラプレートからなる単数もしくは複数の構成体と、互いに長手方向に連結されることにより前記固定具を構成する連結片とが一体化されて電池ユニットを構成し、
   それらの電池ユニットが積層されるとともに、それぞれの電池ユニットにおける前記連結片同士が着脱可能に連結されている
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記連結片は、互いに接近する方向に対して係合して一体化し、かつ互いに離隔する方向に荷重を受けた場合にはその係合が外れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。

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