JP3135991B2 - 燃料電池および燃料電池スタック締め付け方法 - Google Patents

燃料電池および燃料電池スタック締め付け方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、単位燃料電池をセパレ
ータを介して複数個積層して燃料電池スタックとし、こ
の燃料電池スタックの両端にある加圧板を締め付けて構
成する燃料電池であって、上記セパレータの内部空間に
面圧発生板を備えた燃料電池と、燃料電池スタック締め
付け方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の燃料電池ＦＣ（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌ
ｌ）としては、例えば図１０に示すような内部マニホー
ルド型構造のものを例にとって説明すると、多数の単位
燃料電池（以下「単位セル」という）ＴＣを積層し、そ
の両端に加圧板（エンドプレート）ＥＰを配置して燃料
電池スタックＳとし、締め付けボルトＢなどの複数の締
め具によりコイルばねＣを介して上記加圧板ＥＰを締め
付け加圧して構成していた。すなわち、従来の燃料電池
スタック締め付け技術は、通常、発電機能部Ｈと構造保
持部Ｋとの両者を同時に一つの方法で締め付けるもので
あった。ここで、発電機能部Ｈは、セパレータの中央部
分に内装される、１対の集電体およびその間に挾持され
た電極一体型電解質膜をいう。また、構造保持部Ｋは、
発電機能部Ｈが内装される空間を囲むセパレータの外周
部分である。ただし、この燃料電池スタックＳは、特に
一方の加圧板ＥＰ内に内方に向けて開放された凹部ＨＢ
一杯に内設した袋状の面圧発生部ＭＨを有するもので、
上記加圧板ＥＰを貫通して面圧発生部ＭＨへ接続された
供給管ＫＰにより燃料電池ＦＣの反応ガス（Ｈ2 または
Ｏ2 のいずれか）Ｇを導入しリーブスＬを介して隣接の
単位セルＴＣを押圧して締め付けに加勢するようになっ
ている。また、従来の燃料電池では、燃料電池スタック
内の数個の単位セルごとに１枚ずつ冷却板を入れて冷却
を行なっているものもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池スタック締め付け技術では、次のような問
題があった。発電機能部Ｈの厚さとセパレータの発電
機能部Ｈが内装される対応部分の厚さとは等しいことを
要するので、単位セルの発電機能部とセパレータとの上
記厚さと弾性率（縮み）の変化量を考慮する必要があ
り、締め付け圧力（特に発電機能部）は、単位セル構成
部品の加工精度に依存していた。セパレータ部材が発
電機能部同士を隔てる部分および構造保持部からなるも
のであるため、締め付け圧力はセパレータの厚さや剛性
に大きく依存していた。そのため、締め付け技術は、セ
パレータ構造に大きく依存していた。従来の締め付け
方法では、燃料電池スタックの両側または片方側だけに
ピストンまたはスプリングによる面圧保持を実施してい
るので、荷重を受けて変形し、かつ荷重を緩和してしま
う部材（シール部材など）が増加し、締め付け装置によ
り発生した荷重が積層方向に充分に伝達しなかった。す
なわち、締め付け圧力は積層数に依存していた。
【０００４】この問題を従来法で克服するには、さらに
強い締め付け圧力を燃料電池スタックの両側または片側
で発生させる方法、積層セル数を一定以上に増さないで
燃料電池スタック構築を図る方法などが考えられる。前
者の方法をとると単位セル構成部に割れ易い材料（炭
素、プラスチック、セラミックスなど）の使用が制限さ
れる。後者の場合は、目標とする燃料電池スタックを小
さなモジュールに分割しなければならず、配管・補器類
が複雑になり、それに伴う無駄な空間（Ｄｅａｄ Ｖｏ
ｌｕｍｅ）の増加を引き起こす。また、モジュール運転
などシステム的にも難しさの増すことが予想される。
従来の、燃料電池スタック内の数個の単位セルごとに１
枚ずつ冷却板を入れているセパレータでは、冷却板間に
挟まれた数個の単位セルの構成単位は一定温度である
が、構成単位ごとに温度差を生じ、高電流密度領域での
運転では冷却が十分に行われない可能性があった。
【０００５】本発明は、このような従来の技術的課題を
背景になされたもので、電極一体型電解質膜とこれを挾
持する１対の集電体からなる単位燃料電池をセパレータ
を介して複数個積層して燃料電池スタックとし、この燃
料電池スタックの両端にある加圧板を締め付けて構成す
る燃料電池において、燃料電池作動時に燃料電池スタッ
ク締め付け圧力が発生して、発電機能部の接触抵抗の低
減ができ、その締め付け圧力が単位セルの積層数に依存
しないで得られ、またセパレータの冷却機能を備えた燃
料電池と燃料電池スタック締め付け方法を提供すること
を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、電極一体型電
解質膜とこれを挾持する１対の集電体からなる単位燃料
電池をセパレータを介して複数個積層して燃料電池スタ
ックとし、この燃料電池スタックの両端にある加圧板を
締め付けて構成する燃料電池であって、上記セパレータ
は、内部に集電体に隣接した２枚の面圧発生板で囲まれ
た内部空間を有し、上記内部空間内は流体で満たされて
おり、この内部空間内の流体の圧力を増加させ、面圧発
生板により、隣接した集電体を押圧してスタック締め付
け圧力を発生させることのできる燃料電池を提供するも
のである。
【０００７】また、本発明は、上記セパレータの内部空
間内に流体冷媒を流入させ、内部圧力を増加させること
により、燃料電池スタック締め付け圧力を発生させるこ
とを特徴とした燃料電池スタック締め付け方法を提供す
るものである。
【０００８】さらに、本発明は、上記セパレータの内部
空間内に、反応ガスを流入させることにより、スタック
締め付け圧力を発生させることを特徴とした燃料電池ス
タック締め付け方法を提供するものである。
【０００９】さらに、本発明は、上記セパレータの内部
空間内に燃料改質時の熱エネルギーまたは高圧流体を流
入させることにより、スタック締め付け圧力を発生させ
ることを特徴とした燃料電池スタック締め付け方法を提
供するものである。
【００１０】
【作用】上記構成とした本発明の燃料電池のセパレータ
においては、その内部にセパレータの構成保持部および
集電体に隣接した２枚の面圧発生板で囲まれた内部空間
を有する。そして、上記セパレータの内部空間に、燃料
電池作動時に流入される流体（冷媒）をその冷媒形態に
応じて昇圧ポンプを駆動する、高圧反応ガスを流入す
る、あるいは反応熱−内部抵抗発生熱を利用する、など
のいずれかの手段により内部空間内の流体の圧力を増大
させ、変形しようとする（歪もうとする）面圧発生板を
両側の集電体に押し当て燃料電池スタック締め付けを行
なう。これにより集電体の接触抵抗は低減するととも
に、燃料電池が冷却される。また、上記作動終了時には
流体の流入を停止すると、内部空間内の圧力が低下し面
圧発生板は復元して元の姿勢に戻る。なお、流入させる
流体は、昇圧した冷媒、高圧反応ガスの燃料もしくは酸
化剤、または高圧流体のいずれかを用いる。また、圧力
発生手段として利用した反応ガスはセパレータに供給し
て反応ガスとしての働きをさせる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。まず、燃料電池スタック締め付け方法の各実施例
の基本となる燃料電池の実施例について、その構成と作
用を説明する。この実施例の燃料電池のセパレータ０３
は、図１のＡに示すように、内方に空域が形成された平
面正方形の構造保持部１０とその内方に形成される空域
からなる発電機能部対応部２０とからなる。上記構造保
持部１０においては、対向する一方の側枠１１に一対ず
つの燃料ガス連通口１３を穿設しており、他方の側枠１
２には同じく一対ずつの酸化剤ガス連通口１４を穿設し
ている。また、一方の対角線上にある両隅には、冷媒連
通口１５が穿設してある。
【００１２】なお、各連通口１３、１４、１５は、発電
機能部対応部２０とそれぞれ燃料ガス導入穴１３ａ、燃
料ガス排出穴１３ｂ、酸化剤ガス導入穴１４ａ、酸化剤
ガス排出穴１４ｂ、冷媒導入路１５ａ、冷媒排出路１５
ｂにより連通されている。さらに、同図のＢに示すよう
に、発電機能部対応部２０の厚さ方向の中央には、発電
機能部対応部２０一杯の大きさをして変形可能な一対の
面圧発生板３１、３２により、上記冷媒導入路１５ａと
冷媒排出路１５ｂとが接続されている内部空間（冷却
室）３３を備えた締め付け圧力発生部３０と、その両側
の凹部２１、２２とが形成されている。また、図２は、
複数の単位セル０４を複数個積層し燃料電池スタック０
２とした状況の一部を分解して示す模式図で、４１は凹
部２１に嵌合する集電体、４２は凹部２２に嵌合する集
電体である。さらに、４０は集電体４１、４２により挟
んで保持される電極一体型電解質膜（Ｍ＆Ｅ）、４３は
ガスケットである。
【００１３】上記構成となっているので、燃料電池０１
停止時には、セパレータ０３の面圧発生板３１、３２は
両側に隣接した上記集電体４１、４２とは組立て時の姿
勢をとっているが（図３のＡ参照）、燃料電池０１作動
時には、流体が締め付け圧力発生部３０の内部空間３３
に流入され内圧が上昇し燃料電池スタック締め付け圧力
が発生するため、面圧発生板３１、３２が両側へ膨らむ
力が発生し、面圧発生板が、集電体４１、４２を押圧す
るのでスタック締め付け圧力の上昇が行なわれる（図３
のＢ参照）。燃料電池０１の作動が終わり流体の流入が
停止されると、内圧が低下するので面圧発生板３１、３
２の集電体４１、４２側への面圧も低下し、組立て時の
姿勢に戻る。
【００１４】次に、燃料電池スタック締め付け方法の各
実施例について述べる。まず、本発明の液体を冷媒形態
とする第１実施例を図４により説明する。この第１実施
例を行なうための構成システムは、同図のＡに示すよう
に、冷媒としての水またはメタノールのタンク５１から
バイパス弁５２を備えた昇圧ポンプ５３を経て燃料電池
スタック０２の導入側の冷媒導入路１５ａに接続する供
給管５４と、排出側の冷媒排出路１５ｂから背圧弁５５
を経てタンク５１に接続する還流管５６とから循環路５
０を構成している。そこで、昇圧ポンプ５３により冷媒
の圧力を高めて燃料電池スタック０２に送り込み、各単
位セル０４の間に介在する各セパレータ０３の内部空間
３３の圧力を増大して締め付け圧力を発生させる。この
場合の時間経過に伴う締め付け圧力と接触抵抗との変化
は同図のＢに示すグラフのとおりであり、点ａでは燃料
電池０１が起動（バイパス弁５２は閉、昇圧ポンプ５３
は運転）し、点ｂで燃料電池０１が停止（昇圧ポンプ５
３は停止、バイパス弁５２は開）する。
【００１５】次に、本発明の液体を冷媒形態とする第２
実施例を図５により説明する。この第２実施例を行なう
ための構成システムは、同図のＡに示すように、冷媒と
しての水またはメタノールのタンク６１から循環ポンプ
６２を経て燃料電池スタック０２の導入側の冷媒導入路
１５ａに接続する供給管６３と、排出側の冷媒排出路１
５ｂからタンク６１に接続する還流管６４とから循環路
６０を構成しており、上記タンク６１の上部内へは反応
ガスＧが、冷媒加圧用に導入されるようになっている。
そこで、加圧された冷媒は、循環ポンプ６２により燃料
電池スタック０２に送り込まれ、上記各セパレータ０３
の内部空間３３の圧力を増大して締め付け圧力を発生さ
せる。この場合のＤｒｉｖｅ Ｍｏｄｅと反応ガス圧、
締め付け圧力、および接触抵抗との関係は同図のＢに示
すグラフのとおりであり、点ｃでは燃料電池０１立上
げ、ガス圧上昇であり、点ｄでは燃料電池０１立下げ、
ガス圧降下である。
【００１６】次に、本発明の液体を冷媒形態とする第３
実施例を図６により説明する。この第３実施例を行なう
ための構成システムは、同図のＡに示すように、冷媒Ｒ
としての水、低沸点溶媒またはメタノールのタンク７１
から循環ポンプ７２を経て燃料電池スタック０２の導入
側の冷媒導入路１５ａに接続する供給管７３と、排出側
の冷媒排出路１５ｂからタンク７１に接続する還流管７
４とから循環路７０を構成しており、上記還流管７４の
途中に逆止弁７５を備えた冷媒補充管７６を合流させる
ようになっている。従って、循環ポンプ７２により冷媒
を燃料電池スタック０２内へ送り込み、循環させる。こ
の場合の電流密度と燃料電池（セル）温度、冷媒温度、
冷媒圧力（締め付け圧力）および接触抵抗との関係は、
同図のＢに示すグラフのとおりである。
【００１７】次に、本発明の気体を冷媒形態とする第４
実施例を図７により説明する。この第４実施例を行なう
ための構成システムは、常圧の反応ガスＧとしての燃料
ガスまたは酸化剤ガスを図外のタンクから昇圧ポンプ８
１を経て燃料電池スタック０２の導入側の冷媒導入路１
５ａに接続する供給管８２と、排出側の冷媒排出路１５
ｂから燃料電池スタック０２内に位置するセパレータ０
３の導入側連通口に導かれる中継管８３と、排出側連通
口からバイパス弁８５を備えた背圧弁８４を経て排気ま
たは上記タンクに戻る還流管８６とから供給路８０を構
成している。従って、昇圧ポンプ８１により強制昇圧さ
れた冷媒を燃料電池スタック０２内へ送り込み、上記各
セパレータ０３の内部空間３３の圧力を増大して締め付
け圧力を発生させると同時に燃料電池０１の冷却を行な
う。なお、供給される常圧反応ガスの温度をＴ1 、中継
管８３内の冷却動作後の反応ガス温度をＴ2 とすると、
Ｔ2 ＞Ｔ1 である。この場合の時間経過に伴う締め付け
圧力と接触抵抗との変化は、図４のＢに示すグラフと同
様なので、図示は省略する。
【００１８】次に、本発明の気体を冷媒形態とする第５
実施例を図８により説明する。この第５実施例を行なう
ための構成システムは、高圧の反応ガスとしての燃料ガ
スまたは酸化剤ガスを図外のタンクから逆止弁９１を経
て燃料電池スタック０２の導入側の冷媒導入路１５ａに
接続する供給管９２と、排出側の冷媒排出路１５ｂから
燃料電池スタック０２内に位置するセパレータ０３の導
入側連通口に導かれる中継管９３と、排出側連通口から
バイパス弁９５を備えた背圧弁９４を経て排気または上
記タンクに戻る還流管９６とから供給路９０を構成して
いる。従って、上記供給管９２により逆止弁９１を通過
して高圧反応ガスを燃料電池スタック０２内へ送り込
み、上記各セパレータ０３の内部空間３３の圧力を増大
して締め付け圧力を発生させ同時に燃料電池０１の冷却
を行なう。なお、供給される高圧反応ガスの温度を
Ｔ3 、中継管９３内の冷却動作後の反応ガス温度をＴ4
とすると、Ｔ4 ＞Ｔ3 である。この場合の時間経過に伴
う締め付け圧力と接触抵抗との変化は、図４のＢに示す
グラフと同様なので、図示は省略する。
【００１９】次に、本発明の気体を冷媒形態とする第６
実施例を図９により説明する。この第６実施例を行なう
ための構成システムは、同図のＡに示すように、反応ガ
スとしての燃料ガスまたは酸化剤ガスを図外のタンクか
ら昇圧ポンプ１０１、逆止弁１０２を経て燃料電池スタ
ック０２の導入側の冷媒導入路１５ａに接続する供給管
１０３と、排出側の冷媒排出路１５ｂから燃料電池スタ
ック０２内に位置するセパレータ０３の導入側連通口に
導かれる中継管１０４と、排出側連通口から絞り弁１０
５を経て上記タンクに戻る還流管１０６とから供給路１
００を構成している。従って、上記供給管１０３により
昇圧ポンプ１０１を用いて反応ガスを逆止弁１０２を通
過させ燃料電池スタック０２内へ送り込むと、反応ガス
は逆止弁１０２と絞り弁１０５とにより燃料電池スタッ
ク０２内に停滞する。そこで、燃料電池作動時の熱を受
けて反応ガスが燃料電池０１の冷却を行なうと同時に自
然昇圧するので、この高圧となった反応ガスは、上記各
セパレータ０３の内部空間３３内の圧力を増加させ、面
圧発生板の発生圧を増大させ締め付け圧力を発生させ
る。この場合の積層した単位セルと反応ガス温度、締め
付け圧力との関係、並びに燃料電池停止時に昇圧ポンプ
１０１を止めたときの時間経過に伴う締め付け圧力の変
化は、同図のＢにそれぞれ示すグラフのとおりである。
なお、これらのグラフにおいて、点ｄは燃料電池スタッ
ク０２入口を、点ｅはｎ番目の単位セル０４の予熱到達
温度を、点ｆは昇圧ポンプ１０１停止時点をそれぞれ示
す。また、△Ｔは予熱温度差を、△Ｐは上昇した圧力差
を示す。また、線ｇは昇圧ポンプ１０１停止時の絞り弁
１０５からの緩やかな排気が行われる時間を示す。
【００２０】上記各実施例を総括してみると、これら実
施例は、締め付け技術となるスタック締め付け圧力発生
機能を付与したものであり、これによりセパレータ０３
の面圧発生板３１、３２が締め付け方向に変位する力が
発生するので、面厚の加工精度は従来のものほど厳密で
ある必要はなく、構造保持部１０のガスシール面・冷媒
シール面の加工精度のみが重要となる。そして、各セパ
レータ０３に冷却機能があるため、発電時の燃料電池ス
タック０２内構成単位セル０４間の温度差がなくなり、
安定した運転が可能となる。また、実施例の場合、例え
ば構造保持部１０については、ガス漏洩および冷媒漏洩
防止を考慮した締め付け圧力を燃料電池スタック０２全
体の締め付け方法によってかける一方、発電機能部につ
いては、接触抵抗の低減（必要以上の圧力をかけない面
圧制御ができる）またはその最小値を実現するための面
圧を探索制御（出力電流／電圧より最高値を決定）する
ことが可能となる。さらに、ＰＥＭＦＣ（高分子固体電
解質膜型燃料電池）のように電解質が弾力性を有する場
合、必要以上の締め付け圧力をかけないことが有利に働
き、電解質や電極触媒層の弾力性が長期間保てることも
ある。
【００２１】以上、本発明の実施例を説明したが、具体
的な構成および作用はこれらの実施例に限られるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更な
どがあっても本発明に含まれる。例えば、燃料電池のセ
パレータの内部空間の圧力を増加させる方法として、実
施例では流体冷媒、反応ガスなどを用いているが、この
ほか燃料改質時の熱エネルギーまたは高温燃料電池の排
熱エネルギーによって得られる高圧流体を用いてもよ
い。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
電池は、上記のように、変形可能な面圧発生板により構
成された内部空間を有し、またそれを用いた燃料電池の
燃料電池スタック締め付け方法は、上記内部空間内に流
体冷媒、反応ガスまたは高圧流体を流入させ、内部空間
内の圧力を増加させることにより、締め付け圧力を発生
させる方法を提供したため、集電体が電解質膜に圧接さ
れるので発電機能部の接触抵抗を低減し発電効率を高め
ることができる。また、締め付け圧力が単位セルの積層
数に依存しないため、燃料電池スタック全体の締め付け
が不要となり燃料電池スタックのコンパクト化が図れ
る。さらに、燃料電池は、冷却機能を備えることにもな
る。さらにまた、燃料電池スタック内発電機能部の常時
締め付けを不要としたので、単位セル構成部の弾性材疲
労が少なく、ＦＣ停止時に発電機能部構成部材どうしを
接触させない場合は、セパレータと電極間の電食防止も
でき寿命が延長される。そのほか、集電体の厚さ精度や
シール材に従来のような厳密性（加工精度の高さ）が不
要なため製作も容易である。なお、冷媒形態を液体とし
た場合、メタノール・スチーム改質時のメタノール気化
熱の供給とセパレータ内での燃料改質ができ、また耐寒
性も得られる。一方、冷媒形態を気体とした場合、セパ
レータにガス予熱器の機能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例の燃料電池のセパレータを
示す図で、同図のＡは平面図、同図のＢは同図のＡにお
けるＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】本発明に係る実施例の燃料電池スタックの一部
を分解して示す模式図である。
【図３】本発明に係る実施例の燃料電池スタックの一部
を示す縦断模面図で、同図のＡは燃料電池停止時の図、
同図のＢは燃料電池作動時の図である。
【図４】本発明に係る燃料電池スタック締め付け方法の
第１実施例を示す図で、同図のＡは冷媒循環の概略系統
図、同図のＢは関係グラフである。
【図５】本発明に係る燃料電池スタック締め付け方法の
第２実施例を示す図で、同図のＡは冷媒循環の概略系統
図、同図のＢは関係グラフである。
【図６】本発明に係る燃料電池スタック締め付け方法の
第３実施例を示す図で、同図のＡは冷媒循環の概略系統
図、同図のＢは関係グラフである。
【図７】本発明に係る燃料電池スタック締め付け方法の
第４実施例を示す冷媒循環の概略系統図である。
【図８】本発明に係る燃料電池スタック締め付け方法の
第５実施例を示す冷媒循環の概略系統図である。
【図９】本発明に係る燃料電池スタック締め付け方法の
第６実施例を示す図で、同図のＡは冷媒循環の概略系統
図、同図のＢは関係グラフである。
【図１０】従来の内部マニホールド型燃料電池スタック
締め付け方法を示す縦断模式図である。
【符号の説明】
０１ 燃料電池 ０２ 燃料電池スタック ０３ セパレータ ０４ 単位燃料電池 ３１ 面圧発生板 ３２ 面圧発生板 ３３ 内部空間 ４１ 集電体 ４２ 集電体 Ｒ 冷媒 Ｇ 反応ガス
フロントページの続き (72)発明者 加藤 英男 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式 会社 本田技術研究所内 (72)発明者 川越 敬正 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式 会社 本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−164168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−163185（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−215676（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−234873（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−211868（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極一体型電解質膜とこれを挾持する１
    対の集電体からなる単位燃料電池をセパレータを介して
    複数個積層して燃料電池スタックとし、この燃料電池ス
    タックの両端にある加圧板を締め付けて構成する燃料電
    池であって、上記セパレータは、内部に集電体に隣接し
    た２枚の面圧発生板で囲まれた内部空間を有し、上記内
    部空間内は流体で満たされており、この内部空間内の流
    体の圧力を増加させ、面圧発生板により、隣接した集電
    体を押圧してスタック締め付け圧力を発生させることの
    できる燃料電池。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載したセパレータの内部空
    間内に流体冷媒を流入させ、内部空間内の圧力を増加さ
    せることにより、スタック締め付け圧力を発生させるこ
    とを特徴とした燃料電池スタック締め付け方法。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載したセパレータの内部空
    間内に、反応ガスを流入させることにより、スタック締
    め付け圧力を発生させることを特徴とした燃料電池スタ
    ック締め付け方法。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載したセパレータの内部空
    間内に、燃料改質時の熱エネルギーまたは高温燃料電池
    の排熱エネルギーによって得られた高圧流体を流入させ
    ることにより、スタック締め付け圧力を発生させること
    を特徴とした燃料電池スタック締め付け方法。
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