JP3913573B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、例えば、図７に示すように、車両を構成する車体等の取り付け部１に対して、燃料電池スタック１０として搭載されている。この燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル（燃料電池）１２が互いに電気的に直列接続されるとともに、前記単位セル１２が、図７中、左右方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１３を備えている。
【０００５】
単位セル１２は、アノード側電極１４とカソード側電極１６との間に電解質層１８が介装されることにより構成された電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２ａ、２２ｂとを備えている。セパレータ２２ａ、２２ｂには、それぞれアノード側電極１４に対向する面に、前記アノード側電極１４に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給・排出するための第１反応ガス流路２４が設けられる一方、それぞれカソード側電極１６に対向する面に、前記カソード側電極１６に酸化剤ガス（例えば、空気等の酸素含有ガス）を供給・排出するための第２反応ガス流路２６が設けられている。
【０００６】
積層体１３の積層方向両端に位置する単位セル１２には、集電体３４ａ、３４ｂがそれぞれ電気的に接続される。集電体３４ａ、３４ｂの外側には、漏電防止用の絶縁プレート３６ａ、３６ｂを介してエンドプレート（加圧板）３８ａ、３８ｂがそれぞれ配置され、各エンドプレート３８ａ、３８ｂの外側には、バックアッププレート（加圧補助板）４０ａ、４０ｂがそれぞれ配置されることにより、燃料電池スタック１０が構成されている。
【０００７】
エンドプレート３８ａとバックアッププレート４０ａとの間には、単位セル１２同士の電気的な接触を維持するための複数個のばね部材、例えば、皿ばね４２が介装されている。
【０００８】
燃料電池スタック１０の周縁部には、一方のバックアッププレート４０ａから他方のバックアッププレート４０ｂに至るまで延在する複数個の貫通孔４４が形成されている。これらの貫通孔４４にはそれぞれタイロッド４６が通されており、前記タイロッド４６にナット４８が螺合される。これにより、両バックアッププレート４０ａ、４０ｂが緊締されることに伴って、積層体１３、集電体３４ａ、３４ｂおよびエンドプレート３８ａ、３８ｂが加圧保持される一方、皿ばね４２が圧縮される。
【０００９】
ここで、燃料電池スタック１０は、エンドプレート３８ａ、バックアッププレート４０ｂにそれぞれ連結されたマウント用ブラケット５０、５２を介して取り付け部１に搭載されている。マウント用ブラケット５２は、ボルト５４で取り付け部１に連結されることによって位置決め固定されており、一方、マウント用ブラケット５０は、取り付け部１に対して積層方向に摺動自在である。
【００１０】
すなわち、マウント用ブラケット５０の下端部に突出形成されたアーム部５６には、段部５８を有する長円状溝６０が設けられている。この長円状溝６０に挿入されたボルト６２は、その頭部を介して段部５８の底面を適切な力で押圧することにより、マウント用ブラケット５０が取り付け部１に対して摺動自在に連結される。
【００１１】
以上の構成において、燃料電池スタック１０を運転中に、積層体１３が熱膨張により積層方向に沿って寸法変化を起こすと、その熱膨張量に応じて皿ばね４２が縮小する。また、運転が停止されて燃料電池スタック１０の温度が下降すると、積層体１３が収縮するとともに皿ばね４２が伸張する。このように、積層体１３が熱膨張または収縮することに追従して皿ばね４２が縮小または伸張することにより、積層体１３に対する締め付け力が略均等に維持される。
【００１２】
さらに、電解質層１８は、電気化学変化で生成した水分の吸収・放出や供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの湿度により、積層体１３の積層方向に沿って膨張・収縮する。加えて、電解質膜・電極構造体２０は、燃料電池スタック１０の運転・停止に伴う度重なる温度変化によって寸法が若干縮小する、いわゆる、へたりを生じ易い。このへたりは、電解質膜・電極構造体２０を保持するシール部材（図示せず）や、セパレータ２２ａ、２２ｂ等においても同様に発生する。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、電解質層１８、シール部材、セパレータ２２ａ、２２ｂ等に上記のような寸法変化が生じた際にも、積層方向に沿って寸法変化を起こす。その際、同様に皿ばね４２が縮小または伸張することによって、積層体１３に対する加圧保持力を略一定に保つことができる。
【００１４】
なお、燃料電池スタック１０が寸法変化を起こして皿ばね４２が縮小または伸張する際には、マウント用ブラケット５０が、長円状溝６０とボルト６２との案内作用下に取り付け部１に対して積層方向に摺動する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように構成される燃料電池スタック１０では、一方のマウント用ブラケット５０が取り付け部１に対して積層方向に摺動自在に連結されている。このため、燃料電池スタック１０は、積層方向に比較的大きな設置スペースを有してしまう。さらに、セパレータ２２ａ、２２ｂは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合がある。しかも、エンドプレート３８ａとバックアッププレート４０ａとの間には、複数個の皿ばね４２が介装されており、この皿ばね４２の積層方向に比較的大きな寸法を有している。
【００１６】
これにより、燃料電池スタック１０は、積層方向の寸法が相当に長尺化してしまい、前記燃料電池スタック１０全体の小型化および軽量化を図ることができないという問題が指摘されている。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータを薄肉化するとともに、皿ばねを不要にして容易に小型化および軽量化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体を挟持する少なくとも一方のセパレータが、少なくとも第１および第２金属製プレートを備えており、前記第１金属製プレートは、第１の電解質・電極接合体側に突出して前記第１の電解質・電極接合体との間に、一方の反応ガス流路を形成するための複数の第１突起部（例えば、エンボス部）を設けている。
【００１９】
さらに、第２金属製プレートは、第１金属製プレートの第１突起部に対応する位置にかつ前記第１突起部とは反対側に突出し、第２の電解質・電極接合体との間に、他方の反応ガス流路を形成するための複数の第２突起部（例えば、エンボス部）と、前記第１金属製プレートの平面部分に当接し、かつ前記第２突起部とは反対側に突出する複数の第３突起部（例えば、エンボス部）とを設けている。
【００２０】
このように、第１および第２金属製プレートは、第１および第２突起部が電解質・電極接合体に当接するため、それぞれの平面部分が前記電解質・電極接合体から離間して配置されるとともに、前記第２金属製プレートの第３突起部が、前記第１金属製プレートの平面部分に当接している。従って、第３突起部を介して第１および第２金属製プレートの平面部分にばね機能部を設けることができる。
【００２１】
これにより、例えば、燃料電池スタック全体の締め付け力を略均等に維持するために、前記燃料電池スタックの積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、燃料電池スタック内に専用の板ばねを組み込む必要がない。しかも、金属製プレートを使用するために、従来のカーボン系材料で形成されたセパレータに比べて、有効に薄肉化することができる。このため、燃料電池全体の小型化および軽量化を容易に図ることが可能になる。
【００２２】
ここで、第１および第２金属製プレートは互いに積層されており、これらの間に、例えば、冷却媒体流路が必要に応じて設けられている。第１金属製プレートが第１の電解質・電極接合体の一方の面側に配設され、第１突起部を介して一方の反応ガス流路が形成されるとともに、第２金属製プレートが第２の電解質・電極接合体の他方の面側に配設され、第２突起部を介して他方の反応ガス流路が形成されている。
【００２３】
そして、上記のように複数の第１および第２金属製プレートと電解質・電極接合体とが積層されることにより、具体的には、前記第１および第２金属製プレートで前記電解質・電極接合体を挟持した単位セルが、複数組だけ積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。
【００２４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、一方の反応ガス流路が、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路であるとともに、他方の反応ガス流路が、アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路であり、第２金属製プレートの第３突起部が、前記燃料ガス流路側から第１金属製プレート側に突出している。
【００２５】
従って、燃料ガス流路側に第３突起部の凹部が形成されており、酸化剤ガス流路側には、この第３突起部の凹部が存在することはない。これにより、酸化剤ガス流路側に発生する生成水が滞留することがなく、良好な排水性を確保することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタック１００の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１００の一部断面側面図である。
【００２７】
燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池（単位セル）１０２が矢印Ａ方向に積層された積層体１０４を備え、前記積層体１０４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、正極側集電体１０５ａおよび負極側集電体１０５ｂとエンドプレート１０６ａ、１０６ｂとが絶縁プレート１０７ａ、１０７ｂを介装して配設される。
【００２８】
図２に示すように、エンドプレート１０６ａ、１０６ｂは、締め付け機構であるタイロッド１０８によって一体的に締め付けられるとともに、前記エンドプレート１０６ａ、１０６ｂに固着されたマウント用ブラケット１１０ａ、１１０ｂを介して、燃料電池スタック１００が取り付け部１１２に搭載されている。両マウント用ブラケット１１０ａ、１１０ｂは、いずれも取り付け部１１２に対して摺動することのないように、ボルト１１３を介して堅牢に位置決め固定されている。
【００２９】
図３および図４に示すように、各燃料電池１０２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１１４と、前記電解質膜・電極構造体１１４を挟持する第１および第２セパレータ１１６、１１８とを備える。第１および第２セパレータ１１６、１１８は、それぞれ第１および第２金属製プレート１２０、１２２により構成されている。なお、第１または第２セパレータ１１６、１１８のいずれか一方が、第１および第２金属製プレート１２０、１２２を備え、他方が単一の金属製プレートにより構成されていてもよい。
【００３０】
図３に示すように、電解質膜・電極構造体１１４と第１および第２セパレータ１１６、１１８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔１２６ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔１２８ｂが設けられる。
【００３１】
電解質膜・電極構造体１１４と第１および第２セパレータ１１６、１１８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔１２８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔１２６ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂが設けられる。
【００３２】
電解質膜・電極構造体１１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）１３０と、該固体高分子電解質膜１３０を挟持するアノード側電極１３２およびカソード側電極１３４とを備える。アノード側電極１３２およびカソード側電極１３４は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３３】
図３乃至図６に示すように、第１金属製プレート１２０は、電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１２０ａ側に突出する複数の第１エンボス部（第１突起部）１３６を備えている。第１エンボス部１３６が電解質膜・電極構造体１１４を構成するカソード側電極１３４に当接することによって、第１金属製プレート１２０と前記カソード側電極１３４との間に、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１３８が設けられる。この酸化剤ガス流路１３８は、酸化剤ガス供給連通孔１２４ａと酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂとに連通する。
【００３４】
第２金属製プレート１２２は、別の電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１２２ａ側に突出する複数の第２エンボス部（第２突起部）１４０を設けるとともに、第１金属製プレート１２０に対向する面１２２ｂ側に突出する複数の小径な第３エンボス部（第３突起部）１４２を設けている。
【００３５】
図４乃至図６に示すように、第２エンボス部１４０は、第１金属製プレート１２０の第１エンボス部１３６に対応する位置で、かつ前記第１エンボス部１３６とは反対側に突出して設けられる。この第２エンボス部１４０は、電解質膜・電極構造体１１４を構成するアノード側電極１３２に当接し、前記アノード側電極１３２と第２金属製プレート１２２との間に燃料ガス流路（反応ガス流路）１４４が形成される（図４および図６参照）。この燃料ガス流路１４４は、燃料ガス供給連通孔１２８ａと燃料ガス排出連通孔１２８ｂとに連通している（図３参照）。
【００３６】
第３エンボス部１４２は、各第２エンボス部１４０の前後左右の中心に対応し、かつ第１金属製プレート１２０の面１２０ｂに対応して配置されている（図５および図６参照）。第１および第２金属製プレート１２０、１２２の平面部分は、第１および第２エンボス部１３６、１４０を介して電解質膜・電極接合体１１４から離間しており、それぞれの平面部分には、第３エンボス部１４２を介してばね機能部１４５が設けられる（図６参照）。
【００３７】
第１および第２金属製プレート１２０、１２２間には、必要に応じて冷却媒体流路１４６が形成される。この冷却媒体流路１４６は、冷却媒体供給連通孔１２６ａと冷却媒体排出連通孔１２６ｂとに連通している（図３参照）。
【００３８】
図１に示すように、エンドプレート１０６ａの長辺側（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔１２４ａ、冷却媒体供給連通孔１２６ａおよび燃料ガス排出連通孔１２８ｂに連通する酸化剤ガス供給口１４８ａ、冷却媒体供給口１５０ａおよび燃料ガス排出口１５２ｂが設けられる。エンドプレート１０６ａの長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔１２８ａ、冷却媒体排出連通孔１２６ｂおよび酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂに連通する燃料ガス供給口１５２ａ、冷却媒排出口１５０ｂおよび酸化剤ガス排出口１４８ｂが設けられる。
【００３９】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。
【００４０】
燃料電池スタック１００を運転する際には、エンドプレート１０６ａの酸化剤ガス供給口１４８ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給口１５２ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口１５０ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１００では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の燃料電池１０２に対し、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が供給されることになる。
【００４１】
図３に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給連通孔１２４ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ１１６を構成する第１金属製プレート１２０に設けられている酸化剤ガス流路１３８に導入され、電解質膜・電極構造体１１４を構成するカソード側電極１３４に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔１２８ａから第２セパレータ１１８を構成する第２金属製プレート１２２の燃料ガス流路１４４に導入され、電解質膜・電極構造体１１４を構成するアノード側電極１３２に沿って移動する。
【００４２】
従って、電解質膜・電極構造体１１４では、カソード側電極１３４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極１３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４３】
次いで、カソード側電極１３４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動した後、エンドプレート１０６ａの酸化剤ガス排出口１４８ｂから排出される。同様に、アノード側電極１３２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔１２８ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動した後、エンドプレート１０６ａの燃料ガス排出口１５２ｂから排出される。
【００４４】
一方、冷却媒体供給連通孔１２６ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属製プレート１２０、１２２間に形成されている冷却媒体流路１４６に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔１２６ｂを経て、エンドプレート１０６ａの冷却媒体排出口１５０ｂから排出される。
【００４５】
この場合、本実施形態では、第１および第２セパレータ１１６、１１８が第１および第２金属製プレート１２０、１２２を備えており、各燃料電池１０２が、実質的には、前記第１および第２金属製プレート１２０、１２２と電解質膜・電極構造体１１４とで構成されている。そして、第１および第２金属製プレート１２０、１２２間に冷却媒体流路１４６が形成されるとともに、前記第１および第２金属製プレート１２０、１２２の第１および第２エンボス部１３６、１４０が、電解質膜・電極構造体１１４の両面に当接することにより、前記電解質膜・電極構造体１１４の両面側に酸化剤ガス流路１３８および燃料ガス流路１４４が形成されている。
【００４６】
従って、第１および第２金属製プレート１２０、１２２で電解質膜・電極構造体１１４を挟持するだけで、燃料電池１０２を構成することができ、この燃料電池１０２の小型化および簡素化が容易に遂行可能になる。
【００４７】
さらに、第３エンボス部１４２が、第１金属製プレート１２０の面１２０ｂに対応して配置されることにより、第１および第２金属製プレート１２０、１２２の平面部分には、前記第３エンボス部１４２を介してばね機能部１４５が設けられている（図６参照）。このため、燃料電池スタック１００に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って熱膨張が惹起されても、ばね機能部１４５が弾性変形して前記燃料電池スタック１００全体の締め付け力を有効に保持することが可能になる。
【００４８】
これにより、例えば、燃料電池スタック１００の積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、前記燃料電池スタック１００内に専用の板ばねを組み込む必要がない。従って、燃料電池スタック１００全体の小型化および軽量化を容易に図ることができ、特に積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になるという効果が得られる。
【００４９】
なお、第１および第２金属製プレート１２０、１２２に設けられる第１乃至第３エンボス部１３６、１４０および１４２の配置状態は、本実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２金属製プレートのそれぞれの平面部分が、電解質・電極接合体から離間して配置されるとともに、前記第２金属製プレートの第３突起部が、前記第１金属製プレートの平面部分に当接している。従って、第３突起部を介して第１および第２金属製プレートの平面部分にばね機能部を設けることができる。
【００５１】
これにより、例えば、燃料電池スタックの積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、前記燃料電池スタック内に専用の板ばねを組み込む必要がない。しかも、金属製プレートを使用するために、従来のカーボン系材料で形成されたセパレータに比べて容易に薄肉化される。このため、燃料電池全体の小型化および軽量化を容易に図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図５】前記燃料電池の一部分解斜視説明図である。
【図６】図５に示す燃料電池のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池スタック １０２…燃料電池
１０４…積層体 １０６ａ、１０６ｂ…エンドプレート
１１４…電解質膜・電極構造体 １１６、１１８…セパレータ
１２０、１２２…金属製プレート １２４ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１２４ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 １２６ａ…冷却媒体供給連通孔
１２６ｂ…冷却媒体排出連通孔 １２８ａ…燃料ガス供給連通孔
１２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 １３０…固体高分子電解質膜
１３２…アノード側電極 １３４…カソード側電極
１３６、１４０、１４２…エンボス部 １３８…酸化剤ガス流路
１４４…燃料ガス流路 １４５…ばね機能部
１４６…冷却媒体流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、例えば、図７に示すように、車両を構成する車体等の取り付け部１に対して、燃料電池スタック１０として搭載されている。この燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル（燃料電池）１２が互いに電気的に直列接続されるとともに、前記単位セル１２が、図７中、左右方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１３を備えている。
【０００５】
単位セル１２は、アノード側電極１４とカソード側電極１６との間に電解質層１８が介装されることにより構成された電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２ａ、２２ｂとを備えている。セパレータ２２ａ、２２ｂには、それぞれアノード側電極１４に対向する面に、前記アノード側電極１４に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給・排出するための第１反応ガス流路２４が設けられる一方、それぞれカソード側電極１６に対向する面に、前記カソード側電極１６に酸化剤ガス（例えば、空気等の酸素含有ガス）を供給・排出するための第２反応ガス流路２６が設けられている。
【０００６】
積層体１３の積層方向両端に位置する単位セル１２には、集電体３４ａ、３４ｂがそれぞれ電気的に接続される。集電体３４ａ、３４ｂの外側には、漏電防止用の絶縁プレート３６ａ、３６ｂを介してエンドプレート（加圧板）３８ａ、３８ｂがそれぞれ配置され、各エンドプレート３８ａ、３８ｂの外側には、バックアッププレート（加圧補助板）４０ａ、４０ｂがそれぞれ配置されることにより、燃料電池スタック１０が構成されている。
【０００７】
エンドプレート３８ａとバックアッププレート４０ａとの間には、単位セル１２同士の電気的な接触を維持するための複数個のばね部材、例えば、皿ばね４２が介装されている。
【０００８】
燃料電池スタック１０の周縁部には、一方のバックアッププレート４０ａから他方のバックアッププレート４０ｂに至るまで延在する複数個の貫通孔４４が形成されている。これらの貫通孔４４にはそれぞれタイロッド４６が通されており、前記タイロッド４６にナット４８が螺合される。これにより、両バックアッププレート４０ａ、４０ｂが緊締されることに伴って、積層体１３、集電体３４ａ、３４ｂおよびエンドプレート３８ａ、３８ｂが加圧保持される一方、皿ばね４２が圧縮される。
【０００９】
ここで、燃料電池スタック１０は、エンドプレート３８ａ、バックアッププレート４０ｂにそれぞれ連結されたマウント用ブラケット５０、５２を介して取り付け部１に搭載されている。マウント用ブラケット５２は、ボルト５４で取り付け部１に連結されることによって位置決め固定されており、一方、マウント用ブラケット５０は、取り付け部１に対して積層方向に摺動自在である。
【００１０】
すなわち、マウント用ブラケット５０の下端部に突出形成されたアーム部５６には、段部５８を有する長円状溝６０が設けられている。この長円状溝６０に挿入されたボルト６２は、その頭部を介して段部５８の底面を適切な力で押圧することにより、マウント用ブラケット５０が取り付け部１に対して摺動自在に連結される。
【００１１】
以上の構成において、燃料電池スタック１０を運転中に、積層体１３が熱膨張により積層方向に沿って寸法変化を起こすと、その熱膨張量に応じて皿ばね４２が縮小する。また、運転が停止されて燃料電池スタック１０の温度が下降すると、積層体１３が収縮するとともに皿ばね４２が伸張する。このように、積層体１３が熱膨張または収縮することに追従して皿ばね４２が縮小または伸張することにより、積層体１３に対する締め付け力が略均等に維持される。
【００１２】
さらに、電解質層１８は、電気化学変化で生成した水分の吸収・放出や供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの湿度により、積層体１３の積層方向に沿って膨張・収縮する。加えて、電解質膜・電極構造体２０は、燃料電池スタック１０の運転・停止に伴う度重なる温度変化によって寸法が若干縮小する、いわゆる、へたりを生じ易い。このへたりは、電解質膜・電極構造体２０を保持するシール部材（図示せず）や、セパレータ２２ａ、２２ｂ等においても同様に発生する。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、電解質層１８、シール部材、セパレータ２２ａ、２２ｂ等に上記のような寸法変化が生じた際にも、積層方向に沿って寸法変化を起こす。その際、同様に皿ばね４２が縮小または伸張することによって、積層体１３に対する加圧保持力を略一定に保つことができる。
【００１４】
なお、燃料電池スタック１０が寸法変化を起こして皿ばね４２が縮小または伸張する際には、マウント用ブラケット５０が、長円状溝６０とボルト６２との案内作用下に取り付け部１に対して積層方向に摺動する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように構成される燃料電池スタック１０では、一方のマウント用ブラケット５０が取り付け部１に対して積層方向に摺動自在に連結されている。このため、燃料電池スタック１０は、積層方向に比較的大きな設置スペースを有してしまう。さらに、セパレータ２２ａ、２２ｂは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合がある。しかも、エンドプレート３８ａとバックアッププレート４０ａとの間には、複数個の皿ばね４２が介装されており、この皿ばね４２の積層方向に比較的大きな寸法を有している。
【００１６】
これにより、燃料電池スタック１０は、積層方向の寸法が相当に長尺化してしまい、前記燃料電池スタック１０全体の小型化および軽量化を図ることができないという問題が指摘されている。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータを薄肉化するとともに、皿ばねを不要にして容易に小型化および軽量化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体を挟持する少なくとも一方のセパレータが、少なくとも第１および第２金属製プレートを備えており、前記第１金属製プレートは、第１の電解質・電極接合体側に突出して前記第１の電解質・電極接合体との間に、一方の反応ガス流路を形成するための複数の第１突起部（例えば、エンボス部）を設けている。
【００１９】
さらに、第２金属製プレートは、第１金属製プレートの第１突起部に対応する位置にかつ前記第１突起部とは反対側に突出し、第２の電解質・電極接合体との間に、他方の反応ガス流路を形成するための複数の第２突起部（例えば、エンボス部）と、前記第１金属製プレートの平面部分に当接し、かつ前記第２突起部とは反対側に突出する複数の第３突起部（例えば、エンボス部）とを設けている。
【００２０】
このように、第１および第２金属製プレートは、第１および第２突起部が電解質・電極接合体に当接するため、それぞれの平面部分が前記電解質・電極接合体から離間して配置されるとともに、前記第２金属製プレートの第３突起部が、前記第１金属製プレートの平面部分に当接している。従って、第３突起部を介して第１および第２金属製プレートの平面部分にばね機能部を設けることができる。
【００２１】
これにより、例えば、燃料電池スタック全体の締め付け力を略均等に維持するために、前記燃料電池スタックの積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、燃料電池スタック内に専用の板ばねを組み込む必要がない。しかも、金属製プレートを使用するために、従来のカーボン系材料で形成されたセパレータに比べて、有効に薄肉化することができる。このため、燃料電池全体の小型化および軽量化を容易に図ることが可能になる。
【００２２】
ここで、第１および第２金属製プレートは互いに積層されており、これらの間に、例えば、冷却媒体流路が必要に応じて設けられている。第１金属製プレートが第１の電解質・電極接合体の一方の面側に配設され、第１突起部を介して一方の反応ガス流路が形成されるとともに、第２金属製プレートが第２の電解質・電極接合体の他方の面側に配設され、第２突起部を介して他方の反応ガス流路が形成されている。
【００２３】
そして、上記のように複数の第１および第２金属製プレートと電解質・電極接合体とが積層されることにより、具体的には、前記第１および第２金属製プレートで前記電解質・電極接合体を挟持した単位セルが、複数組だけ積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。
【００２４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、一方の反応ガス流路が、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路であるとともに、他方の反応ガス流路が、アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路であり、第２金属製プレートの第３突起部が、前記燃料ガス流路側から第１金属製プレート側に突出している。
【００２５】
従って、燃料ガス流路側に第３突起部の凹部が形成されており、酸化剤ガス流路側には、この第３突起部の凹部が存在することはない。これにより、酸化剤ガス流路側に発生する生成水が滞留することがなく、良好な排水性を確保することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタック１００の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１００の一部断面側面図である。
【００２７】
燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池（単位セル）１０２が矢印Ａ方向に積層された積層体１０４を備え、前記積層体１０４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、正極側集電体１０５ａおよび負極側集電体１０５ｂとエンドプレート１０６ａ、１０６ｂとが絶縁プレート１０７ａ、１０７ｂを介装して配設される。
【００２８】
図２に示すように、エンドプレート１０６ａ、１０６ｂは、締め付け機構であるタイロッド１０８によって一体的に締め付けられるとともに、前記エンドプレート１０６ａ、１０６ｂに固着されたマウント用ブラケット１１０ａ、１１０ｂを介して、燃料電池スタック１００が取り付け部１１２に搭載されている。両マウント用ブラケット１１０ａ、１１０ｂは、いずれも取り付け部１１２に対して摺動することのないように、ボルト１１３を介して堅牢に位置決め固定されている。
【００２９】
図３および図４に示すように、各燃料電池１０２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１１４と、前記電解質膜・電極構造体１１４を挟持する第１および第２セパレータ１１６、１１８とを備える。第１および第２セパレータ１１６、１１８は、それぞれ第１および第２金属製プレート１２０、１２２により構成されている。なお、第１または第２セパレータ１１６、１１８のいずれか一方が、第１および第２金属製プレート１２０、１２２を備え、他方が単一の金属製プレートにより構成されていてもよい。
【００３０】
図３に示すように、電解質膜・電極構造体１１４と第１および第２セパレータ１１６、１１８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔１２６ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔１２８ｂが設けられる。
【００３１】
電解質膜・電極構造体１１４と第１および第２セパレータ１１６、１１８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔１２８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔１２６ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂが設けられる。
【００３２】
電解質膜・電極構造体１１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）１３０と、該固体高分子電解質膜１３０を挟持するアノード側電極１３２およびカソード側電極１３４とを備える。アノード側電極１３２およびカソード側電極１３４は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３３】
図３乃至図６に示すように、第１金属製プレート１２０は、電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１２０ａ側に突出する複数の第１エンボス部（第１突起部）１３６を備えている。第１エンボス部１３６が電解質膜・電極構造体１１４を構成するカソード側電極１３４に当接することによって、第１金属製プレート１２０と前記カソード側電極１３４との間に、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１３８が設けられる。この酸化剤ガス流路１３８は、酸化剤ガス供給連通孔１２４ａと酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂとに連通する。
【００３４】
第２金属製プレート１２２は、別の電解質膜・電極構造体１１４に対向する面１２２ａ側に突出する複数の第２エンボス部（第２突起部）１４０を設けるとともに、第１金属製プレート１２０に対向する面１２２ｂ側に突出する複数の小径な第３エンボス部（第３突起部）１４２を設けている。
【００３５】
図４乃至図６に示すように、第２エンボス部１４０は、第１金属製プレート１２０の第１エンボス部１３６に対応する位置で、かつ前記第１エンボス部１３６とは反対側に突出して設けられる。この第２エンボス部１４０は、電解質膜・電極構造体１１４を構成するアノード側電極１３２に当接し、前記アノード側電極１３２と第２金属製プレート１２２との間に燃料ガス流路（反応ガス流路）１４４が形成される（図４および図６参照）。この燃料ガス流路１４４は、燃料ガス供給連通孔１２８ａと燃料ガス排出連通孔１２８ｂとに連通している（図３参照）。
【００３６】
第３エンボス部１４２は、各第２エンボス部１４０の前後左右の中心に対応し、かつ第１金属製プレート１２０の面１２０ｂに対応して配置されている（図５および図６参照）。第１および第２金属製プレート１２０、１２２の平面部分は、第１および第２エンボス部１３６、１４０を介して電解質膜・電極接合体１１４から離間しており、それぞれの平面部分には、第３エンボス部１４２を介してばね機能部１４５が設けられる（図６参照）。
【００３７】
第１および第２金属製プレート１２０、１２２間には、必要に応じて冷却媒体流路１４６が形成される。この冷却媒体流路１４６は、冷却媒体供給連通孔１２６ａと冷却媒体排出連通孔１２６ｂとに連通している（図３参照）。
【００３８】
図１に示すように、エンドプレート１０６ａの長辺側（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔１２４ａ、冷却媒体供給連通孔１２６ａおよび燃料ガス排出連通孔１２８ｂに連通する酸化剤ガス供給口１４８ａ、冷却媒体供給口１５０ａおよび燃料ガス排出口１５２ｂが設けられる。エンドプレート１０６ａの長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔１２８ａ、冷却媒体排出連通孔１２６ｂおよび酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂに連通する燃料ガス供給口１５２ａ、冷却媒排出口１５０ｂおよび酸化剤ガス排出口１４８ｂが設けられる。
【００３９】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。
【００４０】
燃料電池スタック１００を運転する際には、エンドプレート１０６ａの酸化剤ガス供給口１４８ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給口１５２ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口１５０ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１００では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の燃料電池１０２に対し、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が供給されることになる。
【００４１】
図３に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給連通孔１２４ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ１１６を構成する第１金属製プレート１２０に設けられている酸化剤ガス流路１３８に導入され、電解質膜・電極構造体１１４を構成するカソード側電極１３４に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔１２８ａから第２セパレータ１１８を構成する第２金属製プレート１２２の燃料ガス流路１４４に導入され、電解質膜・電極構造体１１４を構成するアノード側電極１３２に沿って移動する。
【００４２】
従って、電解質膜・電極構造体１１４では、カソード側電極１３４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極１３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４３】
次いで、カソード側電極１３４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１２４ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動した後、エンドプレート１０６ａの酸化剤ガス排出口１４８ｂから排出される。同様に、アノード側電極１３２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔１２８ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動した後、エンドプレート１０６ａの燃料ガス排出口１５２ｂから排出される。
【００４４】
一方、冷却媒体供給連通孔１２６ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属製プレート１２０、１２２間に形成されている冷却媒体流路１４６に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔１２６ｂを経て、エンドプレート１０６ａの冷却媒体排出口１５０ｂから排出される。
【００４５】
この場合、本実施形態では、第１および第２セパレータ１１６、１１８が第１および第２金属製プレート１２０、１２２を備えており、各燃料電池１０２が、実質的には、前記第１および第２金属製プレート１２０、１２２と電解質膜・電極構造体１１４とで構成されている。そして、第１および第２金属製プレート１２０、１２２間に冷却媒体流路１４６が形成されるとともに、前記第１および第２金属製プレート１２０、１２２の第１および第２エンボス部１３６、１４０が、電解質膜・電極構造体１１４の両面に当接することにより、前記電解質膜・電極構造体１１４の両面側に酸化剤ガス流路１３８および燃料ガス流路１４４が形成されている。
【００４６】
従って、第１および第２金属製プレート１２０、１２２で電解質膜・電極構造体１１４を挟持するだけで、燃料電池１０２を構成することができ、この燃料電池１０２の小型化および簡素化が容易に遂行可能になる。
【００４７】
さらに、第３エンボス部１４２が、第１金属製プレート１２０の面１２０ｂに対応して配置されることにより、第１および第２金属製プレート１２０、１２２の平面部分には、前記第３エンボス部１４２を介してばね機能部１４５が設けられている（図６参照）。このため、燃料電池スタック１００に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って熱膨張が惹起されても、ばね機能部１４５が弾性変形して前記燃料電池スタック１００全体の締め付け力を有効に保持することが可能になる。
【００４８】
これにより、例えば、燃料電池スタック１００の積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、前記燃料電池スタック１００内に専用の板ばねを組み込む必要がない。従って、燃料電池スタック１００全体の小型化および軽量化を容易に図ることができ、特に積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になるという効果が得られる。
【００４９】
なお、第１および第２金属製プレート１２０、１２２に設けられる第１乃至第３エンボス部１３６、１４０および１４２の配置状態は、本実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第１および第２金属製プレートのそれぞれの平面部分が、電解質・電極接合体から離間して配置されるとともに、前記第２金属製プレートの第３突起部が、前記第１金属製プレートの平面部分に当接している。従って、第３突起部を介して第１および第２金属製プレートの平面部分にばね機能部を設けることができる。
【００５１】
これにより、例えば、燃料電池スタックの積層方向一端部に皿ばねを組み込む必要がなく、また、前記燃料電池スタック内に専用の板ばねを組み込む必要がない。しかも、金属製プレートを使用するために、従来のカーボン系材料で形成されたセパレータに比べて容易に薄肉化される。このため、燃料電池全体の小型化および軽量化を容易に図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図５】前記燃料電池の一部分解斜視説明図である。
【図６】図５に示す燃料電池のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池スタック １０２…燃料電池
１０４…積層体 １０６ａ、１０６ｂ…エンドプレート
１１４…電解質膜・電極構造体 １１６、１１８…セパレータ
１２０、１２２…金属製プレート １２４ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１２４ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 １２６ａ…冷却媒体供給連通孔
１２６ｂ…冷却媒体排出連通孔 １２８ａ…燃料ガス供給連通孔
１２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 １３０…固体高分子電解質膜
１３２…アノード側電極 １３４…カソード側電極
１３６、１４０、１４２…エンボス部 １３８…酸化剤ガス流路
１４４…燃料ガス流路 １４５…ばね機能部
１４６…冷却媒体流路
Claims (2)
- 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池であって、
少なくとも一方のセパレータは、少なくとも第１および第２金属製プレートを備え、
前記第１金属製プレートは、第１の電解質・電極接合体側に突出して前記第１の電解質・電極接合体との間に一方の反応ガス流路を形成するための複数の第１突起部を設けるとともに、
前記第２金属製プレートは、前記第１金属製プレートの前記第１突起部に対応する位置にかつ該第１突起部とは反対側に突出し、第２の電解質・電極接合体との間に他方の反応ガス流路を形成するための複数の第２突起部と、
前記第１金属製プレートの平面部分に当接し、かつ前記第２突起部とは反対側に突出する複数の第３突起部と、
を設けることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記一方の反応ガス流路は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路であるとともに、
前記他方の反応ガス流路は、アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路であり、
前記第２金属製プレートの前記第３突起部は、前記燃料ガス流路側から前記第１金属製プレート側に突出することを特徴とする燃料電池。
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