JP4496732B2

JP4496732B2 - 燃料電池および燃料電池の製造方法

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Publication number: JP4496732B2
Application number: JP2003271578A
Authority: JP
Inventors: 剛金井; 業須藤; 雅彦田原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005032607A

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関し、特に複数の発電セルとセパレータを積層するスタックセル型燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池は、例えば水素ガス（燃料ガス）と空気に含まれる酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。

さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡなどの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。

燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば上記の用途に有望である。また、複数の発電セルとセパレータを交互に積層することにより構成するスタックセル型の燃料電池も提案されている。

特開平７−６５８４７号公報

スタックセル型の燃料電池では、電解質膜を集電体で挟み込んだ構造の発電セルを複数積層し、各層の発電セルに対して燃料と酸素とを供給して発電を行っている。しかし、電解質膜は水分を含んだ状態では局所的に縮んだり表面に皺が形成されるなどの変形が発生し、集電体と電解質膜との真実接触面積が減少するなどして発電効率が低下してしまうという問題があった。

したがって本願発明は、電解質膜の変形を防止して発電効率を維持することが可能な燃料電池および燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、外周部に複数の第１貫通孔を有する膜状の電解質の外周部を除く領域をその上下から一対の集電体により挟持した接合体と、気体の流路が形成されたセパレータとを複数積層したスタックセル構造を有する燃料電池であって、前記電解質の外周部に配置されると共に前記電解質に所定の張力を加えて保持し、かつ前記電解質の第１貫通孔に対向して第２貫通孔が形成された補強枠と、前記補強枠の第１貫通孔および前記電解質の第２貫通孔に挿入されて各接合体に押圧力を加える締結用部材とを備え、前記セパレータが前記補強枠内に前記補強枠とは干渉しないように、あるいは前記セパレータの外周が前記補強枠の内周と面一となるように配置されているものである。

燃料電池が、電解質に所定の張力を加えて保持する補強枠を有していることにより、電解質の湿潤状態が変化した場合にも、電解質が縮んだり表面に皺が形成される不具合を低減することができるため、電解質の変形を防止して発電効率を維持することが可能となる。また、電解質と接触する気密部材との密着性も向上するために、接合体をスタックセル構造の燃料電池に用いた場合にも気密性を向上させることが可能となる。また、貫通孔に締結用部材が挿入されて接合体に押圧力を加えることにより、接合体を複数積層してスタックセル構造を形成する際の取り扱いが容易になり、組立て性を向上させて歩留まりを向上させることが可能となる。

また、貫通孔が締結用部材に嵌合して位置決めされることにより、締結用部材で接合体に押し圧力を加える前に、接合体と他の部材との位置関係を容易に調整することができ、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。さらに、補強枠の内周とセパレータの外周とを略同一形状とすることで、セパレータと接合体を積層する際にセパレータと補強枠とが干渉せずに、セパレータの位置合わせをすることができ、製造工程での位置調整を容易に行うことが可能となる。

また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池の製造方法は、外周部に複数の第１貫通孔を有する膜状の電解質の外周部を除く領域をその上下から一対の集電体により挟持した接合体と、気体の流路が形成されたセパレータとを複数積層してスタックセル構造を形成する燃料電池の製造方法であって、前記電解質の外周部に沿った形状を有し、かつ前記電解質の第１貫通孔に対向して第２貫通孔が形成された補強枠を前記電解質の外周部に配置して前記電解質に所定の張力を加えて保持し、そののち前記接合体を複数重ね合わせて前記第１貫通孔および第２貫通孔に締結用部材を挿入して、前記締結用部材を締結することで前記接合体に押圧力を加えると共に、前記セパレータを前記補強枠内に前記補強枠とは干渉しないように、あるいは前記セパレータの外周が前記補強枠の内周と面一となるように配置するものである。

補強枠で電解質に所定の張力を加えて保持することにより、電解質の湿潤状態が変化した場合にも、電解質が縮んだり表面に皺が形成される不具合を低減することができるため、電解質の変形を防止して発電効率を維持することが可能となる。また、電解質と接触する気密部材との密着性も向上するために、接合体をスタックセル構造の燃料電池に用いた場合にも気密性を向上させることが可能となる。

また、貫通孔に締結用部材を挿入した後に複数の接合体の相対的位置関係を調整することで、接合体の相対的な位置関係を容易に調整して燃料電池を形成することができるため、製造工程を簡略化することが可能となる。また、締結用部材を締結した後に補強枠の外周部を切除することで、接合体の形成時には外形の調整をしなくとも燃料電池の形成後に外形の調整を行うことができ、製造工程の簡略化や最終的に得られる燃料電池の小型軽量化を図ることが可能となる。さらに、締結用部材を締結した後に補強枠を除去するとしてもよい。スタックセル構造を形成して各層の締結をすることで、集電体と電解質との密着性は確保されるので、補強枠を除去することで燃料電池の更なる軽量化を図ることが可能となる。

接合体が電解質に所定の張力を加えて保持する補強枠を有していることにより、電解質の湿潤状態が変化した場合にも、電解質が縮んだり表面に皺が形成される不具合を低減することができるため、電解質の変形を防止して発電効率を維持することが可能となる。また、電解質と接触する気密部材との密着性も向上するために、接合体をスタックセル構造の燃料電池に用いた場合にも気密性を向上させることが可能となる。

以下、本願発明を適用した燃料電池接合体、燃料電池および燃料電池の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の燃料電池接合体、燃料電池および燃料電池の製造方法では、メタノールと水の混合溶液や水素ガス等を燃料として用いることができ、発電に用いる燃料と酸化剤の種類は問わないものとする。

図１は本発明のスタックセル型燃料電池の構成を示す分解斜視図である。電解質１と集電体２を組み合わせて周縁部に補強枠３が形成された接合体４と、両面に空気流路と燃料流路が形成されたセパレータ５とを交互に積層し、再外層のセパレータ５の外側にそれぞれエンドプレート６を配置して燃料電池のスタックセル構造が形成されている。各セパレータ５と接合体４との間には、酸素や燃料などが漏洩しないように気密部材７が配置されている。また、二枚のエンドプレート６の間に配置される接合体４や、セパレータ５、気密部材７等の部材が分離しないように、エンドプレート６の外周近傍に形成された締結孔８にボルト９を貫通させてナット１０で締結している。

接合体４は、図２に外観斜視図を示して図３に分解斜視図を示すように、二枚の集電体２で電解質１を挟み込み、電解質１の外周部の両面に補強枠３を取り付けた構造を有している。また、電解質１の外周部には複数の貫通孔１２が形成され、補強枠３の外周部にも貫通孔１２と対応する位置に貫通孔１１が形成されている。電解質１は、プロトンを透過させるイオン透過性と耐酸化性、耐熱性を兼ね備えた材質で形成された矩形状の膜であり、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いる。

集電体２は、発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。集電体２として炭素系材料を用いる場合は、炭素系材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させるようにしても良く、集電体２の電解質１と接触する面にはそれぞれ触媒層が形成されており、触媒層と電解質１の接触部分で発電反応が起きる。触媒層は、電解質１と集電体２の界面での化学反応を促進する材質を用い、例えば炭素繊維膜上に白金が担持された炭素粒子を設けた構造とする。

補強枠３は額縁形状の部材であり、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）やＰＥＩ（ポリエーテルイミド）やテフロン（登録商標）などの非導電性樹脂で形成されている。補強枠３の外形は電解質１およびエンドプレート６と略同一の大きさであり、電解質１に形成された貫通孔１２に対応する位置に、ボルト９を挿入するための貫通孔１１が形成されている。また、電解質１と補強枠３とは電解質１を所定のテンションで引っ張った状態で接着剤などによって接着され、電解質１が補強枠３によって所定の張力で保持された状態となっている。電解質１が補強枠３によって所定の張力で引っ張られていることによって、電解質１が縮んだり皺が形成されたりする不具合を抑制することができるため、電解質１と集電体２との接触が良好になり真実接触面積が増加し、燃料電池の発電効率を向上させることが可能となる。

補強枠３と電解質１との接着は、溶接や熱圧着や超音波による接着を用いるとしてもよい。また、補強枠３に貫通孔１１を形成し電解質１に貫通孔１２を形成した後に、電解質１と補強枠３とを接着するとしてもよく、電解質１と補強枠３とを接着した後に貫通孔１１と貫通孔１２を一括して形成するとしても良い。また、図３では補強枠３を二枚用意して電解質１の両面に接着して接合体４を形成するとしたが、図４に示すように、補強枠３の外周部に折返し部１３を形成しておき、電解質１の片面を補強枠３に接着した後に折返し部１３を折り返して電解質１の反対面に折返し部１３を接着するとしてもよい。

さらに、補強枠３の四隅に形成された貫通孔１１の直径をボルト９の直径と略同一にしておき、複数の接合体４を重ね合わせて締結する際に接合体４の位置合わせをできるようにするとしてもよい。補強枠３の四隅の貫通孔１１を位置合わせ用孔としておくことで、接合体４と気密部材７とセパレータ５とを重ね合わせる際に、各部材の位置関係を調整してスタックセルを積層していくことができるため、燃料電池の製造過程での位置調整を容易に行うことができ、製造の簡略化を図ることが可能となる。

セパレータ５は、一方の面に複数の溝である燃料流路が形成され、他方の面に複数の溝である空気流路が形成された板状の部材である。各セパレータ５は、燃料流路が形成された面が接合体４の燃料極側に向き、空気流路が形成された面が接合体４の酸素極側に向くように配置されている。燃料流路には燃料電池外部から供給される燃料ガスが流され、空気流路には燃料電池外部から供給される酸素を含んだ空気が流され、接合体４の酸素極側に酸素が供給されて燃料極側に燃料が供給される。セパレータ５は、補強枠３の内周と略同一の形状であるとし、大きさは補強枠３の内周と同等か小さく、補強枠３とセパレータ５とは干渉しないか補強枠３の内周とセパレータ５の外周が面一となるように配置される。

気密部材７は、セパレータ５と接合体４との間に配置されて、セパレータ５と接合体４との間から燃料や空気が漏洩しないように気密を保持するリング形状の部材である。気密部材７の大きさは、集電体２の外周よりも大きくセパレータ５の外周よりも小さいものであり、集電体２の外周を取り囲むようにして電解質１とセパレータ５とによって挟持される。したがって、セパレータ５に形成された燃料流路を流れる燃料や空気流路を流れる酸素は集電体２に供給されても、セパレータ５と電解質１との間から燃料や酸素が漏洩することはない。

接合体４での発電は、セパレータ５に形成された燃料流路から燃料極側の集電体２が燃料を受け取り、セパレータ５に形成された空気流路から空気極側の集電体２が空気を受け取り、接合体４においてＨ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応と１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり、結果として水が生成される。例えば水素ガスを燃料とした場合には、水素ガス（Ｈ_２）が燃料極側の集電体２に形成された触媒層でプロトンを発生させ、解離したプロトン（Ｈ^＋）は燃料極側の集電体２から酸素極側の集電体２に向かって電解質１の膜中を移動する。この移動したプロトンは、酸素極側の集電体２に形成された触媒層付近で酸素（空気）と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。

エンドプレート６は矩形状の平板部材であり、外周近辺にはボルト９を通す締結孔８が形成されている。エンドプレート６はセパレータ５、気密部材７よりも外形が大きく、接合体４の外周に形成された補強枠３と略同一形状であるとする。締結孔８が形成される位置は、電解質１に形成された貫通孔１２および補強枠３に形成された貫通孔１１に対応する位置であり、締結孔８にボルト９を通してエンドプレート６を締結する場合には、貫通孔１１，１２にボルト９が挿入された状態で締結が行われる。エンドプレート６を締結した状態では、ボルト９はセパレータ５と気密部材７には干渉しない位置となっている。また、エンドプレート６はボルト９の締結によって各部材に対して押圧力を加えて、各部材を密着させるための部材であり、ボルト９のネジ締めによって簡単に変形してしまわない程度の剛性を有する材質によって形成することが望ましい。

図５は、二枚のエンドプレート６で複数の接合体４を積層して挟み込んで、締結孔８にボルト９を通して各部材を締結し、本発明におけるスタックセル型の燃料電池を形成した状態を示す外観斜視図である。補強枠３が形成された接合体４を重ね合わせて、貫通孔１１にボルト９を挿入して全層の締結を行うため、スタックセル型の燃料電池を製造する際の組立て性が向上し歩留まりを向上させることが可能となる。

また、スタックセル型燃料電池の最終的な外形よりも、電解質１と補強枠３の外形を大きく接合体４を形成しておき、複数の接合体４を積層してボルト９で締結した後に、接合体４の外周部分に存在する電解質１と補強枠３とを切除するとしてもよい。これにより、接合体４の形成時には外形の調整をせずに、燃料電池の形成後に外形の調整を行うことができ、製造工程の簡略化や最終的に得られる燃料電池の小型軽量化を図ることが可能となる。さらに、複数の接合体４を積層してボルト９で締結した後に、補強枠３を除去するとしてもよい。スタックセル構造を形成して各層の締結をすることで、集電体２と電解質１との密着性は確保されるので、補強枠３を除去することで燃料電池の更なる軽量化を図ることが可能となる。

図６は、図５に示した本発明のスタックセル型の燃料電池を形成した状態を示す断面図である。図６ではエンドプレート６とそれに隣接する接合体４のみを示しているが、複数の接合体４が図中下方に積層されている。電解質１の両面に集電体２が配され、電解質１の外周部分には補強枠３が接着されている。集電体２と補強枠３との間には気密部材７が配置され、集電体２および気密部材７がセパレータ５で挟持されている。エンドプレート６の締結孔８と補強枠３の貫通孔１１にはボルト９が挿入されて、ボルト９とナット１０で締結されてスタックセル構造が形成されている。

図６に示したように、セパレータ５を補強枠３の内周と略同一の形状とし、補強枠３の内周とセパレータ５の外周が面一となるように配置することで、セパレータと接合体を積層する際にセパレータと補強枠とが干渉せずに、セパレータの位置合わせをすることができ、製造工程での位置調整を容易に行うことが可能となる。また、貫通孔１１の直径をボルト９の直径と略同一としておけば、貫通孔１１にボルト９を挿入することで貫通孔１１にボルト９が嵌合され、隣接する接合体４同士に形成された貫通孔１１の位置が決定される。したがって、隣接する接合体４の補強枠３の内周位置を容易に合わせて、セパレータ５と接合体４との位置合わせを容易に行うことが可能となる。

図７a乃至図７ｃは、本発明の燃料電池接合体の製造方法である他の例を示す工程図である。図７aに示すように、最終的に得られる接合体４よりも面積が大きい電解質１上に、触媒層が形成された集電体２を複数配置する。次に、図７ｂに示すように、補強枠３を集電体２の周囲に集電体２を取り囲むように配置する。ここで図７aおよび図７ｂでは電解質１の一方の面のみを示して説明しているが、電解質１の図中では示されていない裏面にも同様に集電体２および補強枠３を配置するものとする。次に、図７ｃに示すように、補強枠３の外周にそって電解質１の切断を行って分離を行い、補強枠３に貫通孔１１を形成することで、図２に示した電解質１を集電体２と補強枠３とで挟持した接合体４を得る。

ここでは電解質１上に集電体２を配置した後に補強枠３を配置するとしたが、電解質１上に補強枠３を配置した後に集電体２を配置するとしてよい。また、電解質１の切断を行って接合体４の分離を行う前に貫通孔１１を形成するとしても良い。補強枠３と電解質１との接着は、接着剤による接着や溶接、熱圧着、超音波による接着など種種の方法を用いることができる。

接合体が電解質に所定の張力を加えて保持する補強枠を有していることにより、電解質の湿潤状態が変化した場合にも、電解質が縮んだり表面に皺が形成される不具合を低減することができるため、電解質の変形を防止して発電効率を維持することが可能となる。また、電解質と接触する気密部材との密着性も向上するために、接合体をスタックセル構造の燃料電池に用いた場合にも気密性を向上させることが可能となる。また、補強枠を電解質の全周に形成することで、より効果的に電解質の変形を防止することができる。

また、燃料電池接合体に押圧力を加えるための締結用部材が挿入される貫通孔が、補強枠に開口されているとすることで、接合体を複数積層してスタックセル構造の燃料電池を形成する際の取り扱いが容易になり、組立て性を向上させて歩留まりを向上させることが可能となる。また、貫通孔が締結用部材に嵌合して位置決めされることにより、締結用部材で接合体に押し圧力を加える前に、接合体と他の部材との位置関係を容易に調整することができ、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。

さらに、補強枠の内周とセパレータの外周とを略同一形状とすることで、セパレータと接合体を積層する際にセパレータと補強枠とが干渉せずに、セパレータの位置合わせをすることができ、製造工程での位置調整を容易に行うことが可能となる。

本発明の燃料電池のスタックセル構造例および製造方法例を示す分解斜視図である。本発明の燃料電池に用いられる燃料電池接合体の構造例を示す外観斜視図である。本発明の燃料電池に用いられる燃料電池接合体の構造例および製造方法例を示す分解斜視図である。本発明の燃料電池接合体の他の構造例を示す分解斜視図である。本発明の燃料電池を組み立てた状態を示す外観斜視図である。本発明の燃料電池を組み立てた状態を示す断面図である。本発明の燃料電池接合体の製造方法の他の例を示す工程図であり、電解質上に集電体を配置した状態を示す斜視図である。本発明の燃料電池接合体の製造方法の他の例を示す工程図であり、電解質上に補強枠を配置した状態を示す斜視図である。本発明の燃料電池接合体の製造方法の他の例を示す工程図であり、電解質を切断して各接合体を分離した状態を示す斜視図である。

符号の説明

１電解質
２集電体
３補強枠
４接合体
５セパレータ
６エンドプレート
７気密部材
８締結孔
９ボルト
１０ナット
１１，１２貫通孔
１３折返し部

Claims

外周部に複数の第１貫通孔を有する膜状の電解質の外周部を除く領域をその上下から一対の集電体により挟持した接合体と、気体の流路が形成されたセパレータとを複数積層したスタックセル構造を有する燃料電池であって、
前記電解質の外周部に配置されると共に前記電解質に所定の張力を加えて保持し、かつ前記電解質の第１貫通孔に対向して第２貫通孔が形成された補強枠と、
前記補強枠の第１貫通孔および前記電解質の第２貫通孔に挿入されて各接合体に押圧力を加える締結用部材とを備え、
前記セパレータが前記補強枠内に前記補強枠とは干渉しないように、あるいは前記セパレータの外周が前記補強枠の内周と面一となるように配置されている
燃料電池。
前記貫通孔が前記締結用部材に嵌合して位置決めされる、請求項１記載の燃料電池。
前記補強枠は外周部に折り返し部を有すると共に、前記電解質の片面に接着され、前記折り返し部が折り返されて前記電解質の反対面に接着されている、請求項１記載の燃料電池。
外周部に複数の第１貫通孔を有する膜状の電解質の外周部を除く領域をその上下から一対の集電体により挟持した接合体と、気体の流路が形成されたセパレータとを複数積層してスタックセル構造を形成する燃料電池の製造方法であって、
前記電解質の外周部に沿った形状を有し、かつ前記電解質の第１貫通孔に対向して第２貫通孔が形成された補強枠を前記電解質の外周部に配置して前記電解質に所定の張力を加えて保持し、そののち前記接合体を複数重ね合わせて前記第１貫通孔および第２貫通孔に締結用部材を挿入して、前記締結用部材を締結することで前記接合体に押圧力を加えると共に、
前記セパレータを前記補強枠内に前記補強枠とは干渉しないように、あるいは前記セパレータの外周が前記補強枠の内周と面一となるように配置する
燃料電池の製造方法。
前記貫通孔に前記締結用部材を挿入した後に、前記複数の接合体の相対的位置関係を調整する、請求項４記載の燃料電池の製造方法。
前記締結用部材を締結した後に、前記補強枠の外周部を切除する、請求項４記載の燃料電池の製造方法。
前記締結用部材を締結した後に、前記補強枠を除去する、請求項４記載の燃料電池の製造方法。