JP4661026B2 - 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、燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池を用いた発電システムでは、図１５に示すように、電解質１と集電体２，３を組み合わせた接合体４を外側から筐体５，６で包み込んでパッケージ化した燃料電池を用いているものがある。このようなパッケージでは、筐体５，６内部に配置される接合体４や燃料流路板７、空気流路板８等の部材が分離しないように、筐体５，６をボルト９によって締結している。しかし、筐体５，６を締結することができる位置は接合体４が配置された領域外に限定され、筐体５，６の外周近辺でのみ締結を行うことになる。
【０００６】
一方、接合体４での発電は、燃料流路板７に形成された燃料流路１２から集電体２が燃料を受け取り、空気流路板８に形成された空気流路１３から集電体３が空気を受け取ることで行われる。一般に集電体２，３の電解質１と接触する面にはそれぞれ触媒層１０，１１が形成されており、触媒層１０，１１と電解質１の接触部分で発電反応が起きる。しかし、触媒層１０，１１と電解質１の界面は微小な凹凸が存在し、微視的には図１６に示すように触媒層１０，１１と電解質１とが現実に接触している面積（真実接触面積１４）が存在する。
【０００７】
筐体５，６の外周近辺でのみ締結を行った場合には、電解質１と触媒層１０，１１との界面に働く応力は、締結部分に近い部分に強くはたらき、締結部分から離れるに従って緩和される分布になっていると推測され、電解質１の周縁部は触媒層１０，１１と強く接触し、接合体４の面中心に向かって応力が緩和してゆくことになる。つまり電解質１と触媒層１０，１１の界面の密着性が面全体で均一ではないと考えられ、触媒反応の効率が悪化したり電気抵抗が悪化して、燃料電池全体での発電効率が悪化する原因であると考えられる。
【０００８】
したがって本願発明は、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させて発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体と、前記筐体と前記接合体との間に配置されて前記締結部からの圧力を分散させて前記接合体に伝えるスペーサとを備えている。スペーサは矩形状の板状部材であり、前記筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、前記接合体に圧力を加える加圧部と、前記受圧部と前記加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有すると共に、前記加圧部と受圧部との間に二重構造を有し、前記二重構造の間に前記伝達部材によって中空領域が形成されている。
【００１０】
本願発明の燃料電池では、締結部に加えられた圧力をスペーサによって分散して接合体に伝えることにより、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池および燃料電池の設計方法について、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。
【００２３】
図１は本発明の参考例としての燃料電池パッケージの構成を示す分解斜視図である。電解質２１と集電体２２，２３を組み合わせた接合体２４をスペーサ３２，３３で挟みこみ、スペーサ３２，３３の外側にそれぞれ燃料流路板２７、空気流路板２８を配置し、これらの部材を外側から筐体２５，２６で包み込んで燃料電池をパッケージ化する。このとき、筐体２５，２６内部に配置される接合体２４や、燃料流路板２７、空気流路板２８、スペーサ３２，３３等の部材が分離しないように、筐体２５，２６をボルト２９によって締結している。筐体２５，２６を締結する位置は接合体２４が配置された領域外であり、筐体２５，２６の外周近辺でのみ締結を行う。
【００２４】
電解質２１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。
【００２５】
集電体２２，２３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。この集電体２２，２３で電解質２１を挟み込んで接合体２４が構成される。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２２，２３の電解質２１と接触する面にはそれぞれ触媒層３０，３１が形成されており、触媒層３０，３１と電解質２１の接触部分で発電反応が起きる。触媒層３０，３１は、電解質２１と集電体２２，２３の界面での化学反応を促進する材質を用い、例えば本発明では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している。
【００２６】
筐体２５，２６は矩形状の平板部材であり、外周近辺にはボルト２９を通す締結孔３４が形成されている。筐体２５，２６は接合体２４、スペーサ３２，３３、燃料流路板２７および空気流路板２８よりも外形が大きく、締結孔３４にボルト２９を通して筐体２５，２６を締結した場合にも、ボルト２９が他の部材に干渉しない。また、筐体２５，２６はボルト２９の締結によって各部材に対して押圧力を加えるための部材であり、ボルト２９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され、本実施の形態では例えばアルミニウムを用いている。
【００２７】
燃料流路板２７は、複数の溝である燃料流路３５が形成された板状の部材であり、燃料流路３５が集電体２２方向に向くように配置されている。また空気流路板２８は、複数の溝である空気流路３６が形成された板状の部材であり、空気流路３６が集電体２３方向に向くように配置されている。燃料流路３５と空気流路３６の溝方向は互いに直角となるように配置され、燃料流路３５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３６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る。
【００２８】
スペーサ３２，３３は集電体２２，２３の略全面に接する板状の部材であり、集電体２２と燃料流路板２７との間にスペーサ３２が配され、集電体２３と空気流路板２８との間にスペーサ３３が配されている。燃料流路３５および空気流路３６を流れる燃料ガスと酸素を集電体２２，２３に供給する必要が有るため、スペーサ３２，３３には開口部３７が形成され、気体を透過させることが可能となっている。スペーサ３２，３３を多孔質な材質で形成してスペーサ３２，３３の内部を燃料ガスおよび酸素が流れるようにしてもよい。スペーサ３２，３３は、燃料流路板２７と空気流路板２８とから伝えられた押圧力が接合体２４に対して均一に加わるように、面の一部に加えられた押圧力を分散する機能を有している。押圧力を分散して伝達するためには、スペーサ３２，３３はある程度の剛性を有する材質によって形成される必要がある。
【００２９】
接合体２４での発電は、燃料流路板２７に形成された燃料流路３５からスペーサ３２を介して集電体２２が燃料を受け取り、空気流路板２８に形成された空気流路３６からスペーサ３３を介して集電体２３が空気を受け取り、接合体２４においてＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の如き反応と１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり、結果として水が生成される。水素ガス（Ｈ２）が燃料流路３５を通過する間にプロトンを発生させ、解離したプロトン（Ｈ＋）は集電体２２から集電体２３に向かって電解質２１の膜中を移動する。この移動したプロトンは、集電体２３の触媒層３１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。
【００３０】
図１では、各部材の配置関係を明示するために図示を省略しているが、筐体２５，２６の内部に配置される各部材の周囲と筐体２５，２６の間には、気密を保持するための気密部材が配置されており、燃料流路３５および空気流路３６からの燃料ガスや酸素が漏洩しない構造となっている。
【００３１】
筐体２５，２６の締結は、筐体２５，２６の外周近辺に形成された締結孔３４でのボルト２９の締結により行われる。このため、筐体２５，２６がある程度の剛性を有する材質で形成されていたとしても、燃料流路板２７および空気流路板２８に加わる押圧力の分布は外周近辺が大きく中心付近が小さい圧力となってしまう。しかし、燃料流路板２７および空気流路板２８に加わった圧力はスペーサ３２，３３に伝達され、スペーサ３２，３３の主として外周付近に押圧力が加わったとしても、スペーサ３２，３３が剛性を有する材質で形成されていることから、スペーサ３２，３３の面全体が接合体２４に押圧力を伝えることになる。
【００３２】
したがって、スペーサ３２，３３が接合体２４に隣接して配されていることによって、接合体２４の中心付近に加わる圧力を大きくすることができる。また、スペーサ３２，３３が集電体２２，２３の略全面に接するため、接合体２４に加わる押圧力の分布を接合体２４の全面に均一なものに近づけることができる。
【００３３】
接合体２４に加わる押圧力の分布が均一なものに近づくと、触媒層３０，３１と電解質２１との界面に存在する真実接触面積が大きくなり、発電反応が起こる面積が増加するために燃料電池の発電効率が向上するはずである。そこで、スペーサを配置した燃料電池と、スペーサを配置しない燃料電池を作成して出力電流値と出力電圧値を測定するとともに、接合体に加わる応力分布をコンピュータによってシュミレーションし、接合体に加わる応力の分布と発電効率との関係を調べることにする。
【００３４】
図２（ａ）は比較例１としてのスペーサを配置しない燃料電池の構成を示した分解図であり、図２（ｂ）は参考例１としてのスペーサを配置した燃料電池の構成を示した分解図である。比較例１と参考例１ともに、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。比較例１および参考例１ともに、電解質４１を集電体４２と集電体４３で挟み込んで接合体４４が形成されている。また、筐体４５と燃料流路板４７が略同一の形状に形成されて接合され、燃料流路板４７の集電体４２と接する面には燃料流路５５が形成されている。筐体４５と燃料流路板４７は外周部分が枠形状を成しており、燃料電池の気密を確保する気密部材としても機能する。
【００３５】
図２（ｂ）に示した参考例１においては、集電体４２と燃料流路板４７との間および集電体４３と図示していない空気流路板との間にスペーサ５３が配されている。スペーサ５３は、樹脂によって形成された格子形状の平板な板状部材であり、外形は集電体４２，４３よりも小さく、格子形状であるために開口部分を燃料ガスや酸素が通過可能となっている。ここでは、格子形状の平板部材をスペーサ形状の例として示したが、平板状の部材に開口部を複数設けて網目状の部材を形成するとしても良い。また、スペーサ５３と集電体４２，４３との間に接着層を形成し、スペーサ５３と集電体４２，４３との密着性を向上させて接合体４４に均一に圧力を伝達するとしてもよい。
【００３６】
さらに、比較例１および参考例１ともに、図１に示したように空気流路が形成された空気流路板と筐体とによって接合体４４を挟み込む構造を持つが、図２では図示を省略している。筐体４５と燃料流路板４７および図示していない筐体と空気流路板の外周部分には締結孔５４が形成されており、筐体４５と図示していない筐体とを対向させて締結孔５４をボルト等で締め付けることで接合体４４に対して押圧力が加えられる。
【００３７】
上述したスペーサを配置しない比較例１の燃料電池と、スペーサを配置した参考例１の燃料電池とを、同一形状、同一材質、同一サイズで形成し、ボルトを同一の推力で締結したとして、コンピュータを用いて有限要素法を用いて燃料電池の構造を数値モデル化し、接触構造解析を行って接合体４４に加わる応力の分布をシミュレーションした。
【００３８】
図３は、スペーサを配置しない比較例１における接合体の応力分布のシミュレーション結果を示す図である。図では応力が０．０〜０．６ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲を示している。また、図中で黒色が濃い領域は応力が０．１ｇｆ／ｍｍ２以下の領域である。図から明らかなように、筐体の締結が外周部分で行われているために、接合体４４に加わる応力は接合体４４の外周近辺に集中しており、接合体４４の中央付近では応力が低くなっている。図３での応力が０．１ｋｇｆ／ｍｍ２以上の領域の面積は、接合体４４の全面積の３６．０％であった。
【００３９】
図４は、スペーサを配置する参考例１における接合体の応力分布のシミュレーション結果を示す図である。図では応力が０．０〜０．６ｋｇｆ／ｍｍ2の範囲を示している。また、図中で黒色が濃い領域は応力が０．１ｇｆ／ｍｍ2以下の領域である。図から明らかなように、スペーサ５３を接合体４４に隣接して配置したことにより、筐体の締結を外周部分で行っていても、接合体４４に加わる応力は外周近辺に集中せずに接合体４４の中央付近でも応力が大きく加わっている。図４での応力が０．１ｋｇｆ／ｍｍ2以上の領域の面積は、接合体４４の全面積の６８．４％であった。
【００４０】
次に、図２（ａ）に示したスペーサを配置しない比較例１と、図２（ｂ）に示したスペーサを配置した参考例１の燃料電池に、同一流量の水素ガスと酸素を供給して実際に発電反応を行わせて、出力電圧と出力電流の関係を測定した。図５は燃料電池の発電による出力電流値と出力電圧値をグラフに示した特性図である。図中で黒塗りの四角で示したグラフがスペーサを配置しない比較例１での出力を示したものであり、黒塗りの三角で示したグラフがスペーサを配置した参考例１での出力を示したものである。
【００４１】
図５から明らかなように、参考例１と比較例１とを同一の出力電圧値で比較した場合には、スペーサを配置した参考例１のほうが出力電流値が大きく、電力値が大きいことが分かる。例えば、図中に太線で示した出力電圧値が６００ｍＶでは、図中破線で示したように、比較例１の出力電流値は２８．６ｍＡであり、参考例１の出力電流値は３８．１ｍＡであった。したがって、スペーサを配置したことによって発電効率は約３３％向上したことがわかる。
【００４２】
図３および 図４に示したシミュレーションによる応力分布での応力が０．１ｋｇｆ／ｍｍ2以上の面積比率は、比較例１で３６．０％であり参考例１で６８．４％であったことから、スペーサを配置したことによる接合体４４に加わる応力０．１ｋｇｆ／ｍｍ2以上の面積が３２．４％増加したことが分かる。応力分布でのある一定値以上の面積比率の増加が、実測による発電効率の向上とほぼ同程度であることから、発電効率の向上は応力分布の均一化に起因するものであることがわかる。
【００４３】
接合体に加わる応力分布を均一化することにより、電解質と触媒層とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００４４】
また、コンピュータを用いて有限要素法により接触構造解析を行い、接合体に加わる応力分布をシミュレーションすることにより、スペーサや筐体などの燃料電池を構成する部材の形状や材質形状を変化させた場合にも、応力分布を計算することが可能である。これにより、実際に燃料電池を形成する前にシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算し、応力が一定値以上の領域面積比を計算することによって、燃料電池の発電効率を予測することが可能となる。計算によって燃料電池の発電効率の向上をある程度予測することができるために、燃料電池の開発速度を向上させることが可能である。
【００４５】
次に、燃料電池の設計に際してコンピュータを用いて有限要素法による接触構造解析を行って、スペーサの形状ごとに接合体に加わる応力分布を計算して、発電効率の向上を予測した例を示す。以下の実施の形態で示すシミュレーションでは、筐体と燃料流路板または空気流路板とが一体に形成されたとして、筐体とスペーサと接合体との関係だけを示して計算を行うが、燃料電池の構成は図１に示したものと同様であるとする。
【００４６】
図６にスペーサを配置しない場合の燃料電池の構成を比較例２として、図６（ａ）に断面図を示し、シミュレーションにより得られた各部材の変形を図６（ｂ）に示している。比較例２は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体６１と、接合体６１に隣接して配置する筐体６２で構成される燃料電池である。比較例２においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００４７】
シミュレーションモデルとして、接合体６１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体６２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いて、有限要素法による接触構造解析で各部材の変形量を計算した。図６（ｂ）には、長手方向の辺に形成された締結部６３に集中荷重を行い、接合体６１の面方向に対して垂直に締結を行った場合での、接合体６１と筐体６２との変形を計算した結果を示している。図６（ｂ）から明らかなように、筐体６２の長手方向の辺に形成された締結部６３でのみ締結を行ったことにより、接合体６１および筐体６２の中央部分が接合体６１が配された側と反対に凸形状に変形してしまうことが分かる。
【００４８】
図７に比較例２での接合体６１での応力分布を計算した結果を示す。図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図から明らかなように、接合体６１に加わる応力は締結部６３周辺が特に大きく、それより遠ざかるにつれて緩和されている。
【００４９】
上述した参考例１で説明したように、接合体６１に加わる応力が一定値以上の領域を増加させることによって、接合体６１での触媒層と電解質との真実接触面積を増加させて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。したがって、図６に示した比較例２の筐体６２と接合体６１との間にスペーサを挿入して、筐体６２から接合体６１に伝達される押圧力をスペーサによって分散させた場合にも、有限要素法による接触構造解析を用いたシミュレーションによって応力分布の変化を計算することで、燃料電池の発電効率向上を予測することが可能である。
【００５０】
図８は参考例２であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を図８（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図８（ｂ）に示している。参考例２は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体７１と、接合体７１に隣接して配置されるスペーサ７３と、スペーサ７３に隣接して配置される筐体７２で構成される燃料電池である。参考例２においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００５１】
スペーサ７３は、接合体７１と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、中央部分が長手方向に沿って接合体７１方向に凸となるように屈曲されている。したがって、スペーサ７３は筐体７２方向に突出した受圧部７５と、中央部分が接合体７１方向に突出した加圧部７６と、受圧部７５と加圧部７６とを連結する伝達部７７とを有している。受圧部７５はスペーサ７３の長辺付近に形成された平面部分であり筐体７２と接している。加圧部７６はスペーサ７３の中央部分に形成された平面部分であり接合体７１と接している。受圧部７５と加圧部７６の面積は略同一である。加圧部７６が接合体７１と面接触するために、スペーサ７３は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【００５２】
スペーサ７３が筐体７２と接合体７１との間に配置されていることにより、筐体７２の長辺近傍に形成された締結部７４に押圧力を加えたとしても、スペーサ７３の受圧部７５が筐体７２から押圧力を受け、伝達部７７を介して加圧部７６が接合体７１に押圧力を伝達するため、接合体７１に加わる応力は締結部７４から分散されて接合体７１の中央部分にも加えられる。
【００５３】
スペーサを配置しない比較例２に対してのスペーサ７３の効果を確認するために、参考例２のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体７１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体７２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体７２の長手方向の辺に形成された締結部７４に集中荷重を行い、接合体７１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００５４】
図８（ｂ）に示した参考例２での接合体７１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図８（ｂ）から明らかなように、スペーサ７３を筐体７２と接合体７１との間に挿入したことによって、スペーサ７３の伝達部７７が形成されている領域近辺での接合体７１に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００５５】
したがって、スペーサ７３として屈曲した板状であり面の中央部分が接合体７１に対して凸に形成されているものを用いることによって、筐体７２に加えられた圧力をスペーサ７３が分散して接合体７１に伝達し、接合体７１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体７１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体７１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００５６】
図９は本発明に係る実施例１であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を 図９（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図９（ｂ）に示している。実施例１は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体８１と、接合体８１に隣接して配置されるスペーサ８３と、スペーサ８３に隣接して配置される筐体８２で構成される燃料電池である。実施例１においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００５７】
スペーサ８３は接合体８１と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、長辺部分の筐体８２側に形成された受圧部８５と、接合体８１側に形成された加圧部８６と、受圧部８５と加圧部８６とを連結する伝達部８７とを有している。受圧部８５はスペーサ７３の長辺付近に形成された平面部分であり筐体８２と接している。加圧部８６はスペーサ８３の接合体８１側の全面に形成された平面部分であり接合体８１と接している。スペーサ８３の長辺部分は、長手方向に沿って受圧部８５と加圧部８６との二重構造を形成し、その二重構造の間には伝達部７７によって中空領域８８が形成されている。
【００５８】
受圧部８５の面積よりも加圧部８６の面積のほうが大きく、加圧部８６の全面が接合体８１と接触して圧力の伝達を行うため、接合体８１の略全面に圧力が均一に加えられる。加圧部８６が接合体８１と面接触するために、スペーサ８３は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【００５９】
スペーサ８３が筐体８２と接合体８１との間に配置されていることにより、筐体８２の長辺近傍に形成された締結部８４に押圧力を加えたとしても、スペーサ８３の受圧部８５が筐体８２から押圧力を受け、伝達部８７を介して加圧部８６が接合体８１に押圧力を伝達するため、接合体８１に加わる応力は締結部８４から分散されて接合体８１の略全面にわたって均一に加えられる。
【００６０】
スペーサを配置しない比較例２に対してのスペーサ８３の効果を確認するために、実施例１のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体８１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体８２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体８２の長手方向の辺に形成された締結部８４に集中荷重を行い、接合体８１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００６１】
図９（ｂ）に示した実施例１での接合体８１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図９（ｂ）から明らかなように、スペーサ８３を筐体８２と接合体８１との間に挿入したことによって、スペーサ８３の伝達部８７が形成されている領域近辺での接合体８１に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００６２】
したがって、スペーサ８３として受圧部８５と加圧部８６と伝達部８７とを有し、スペーサ８３の長辺部分が長手方向に沿って受圧部８５と加圧部８６との二重構造を形成し、加圧部８６が接合体８１の略全面と接するものを用いることによって、筐体８２に加えられた圧力をスペーサ８３が分散して接合体８１に伝達し、接合体８１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体８１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体８１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００６３】
図１０は本発明に係る実施例２であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を 図１０（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を 図１０（ｂ）に示している。実施例２は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体９１と、接合体９１に隣接して配置されるスペーサ９３と、スペーサ９３に隣接して配置される筐体９２で構成される燃料電池である。実施例２においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００６４】
スペーサ９３は、接合体９１と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、筐体９２側に形成された受圧部９５と、接合体９１側に形成された加圧部９６と、受圧部９５と加圧部９６とを連結する伝達部９７とを有している。受圧部９５および加圧部９６は接合体９１と略同一の面積の平面部分であり、受圧部９５と加圧部９６との二重構造を形成し、その二重構造の間には伝達部９７によって中空領域９８が形成されている。
【００６５】
受圧部９５と加圧部９６の面積は同一であり、受圧部９５の全面が筐体９２と接触し、加圧部９６の略全面が接合体９１と接触して圧力の伝達を行うため、接合体９１の略全面に圧力が均一に加えられる。加圧部９６が接合体９１と面接触するために、スペーサ９３は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【００６６】
スペーサ９３が筐体９２と接合体９１との間に配置されていることにより、筐体９２の長辺近傍に形成された締結部９４に押圧力を加えたとしても、スペーサ９３の受圧部９５が筐体９２から押圧力を受け、伝達部９７を介して加圧部９６が接合体９１に押圧力を伝達するため、接合体９１に加わる応力は締結部９４から分散されて接合体９１の略全面にわたって均一に加えられる。
【００６７】
スペーサを配置しない比較例２に対してのスペーサ９３の効果を確認するために、実施例２のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体９１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体９２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体９２の長手方向の辺に形成された締結部９４に集中荷重を行い、接合体９１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００６８】
図１０（ｂ）に示した実施例２での接合体９１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１０（ｂ）から明らかなように、スペーサ９３を筐体９２と接合体９１との間に挿入したことによって、接合体９１のほぼ全面に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００６９】
したがって、スペーサ９３として受圧部９５と加圧部９６と伝達部９７とを有し、受圧部９５と加圧部９６とが接合体９１と略同一面積の二重構造を形成し、加圧部９６が接合体９１の略全面と接するものを用いることによって、筐体９２に加えられた圧力をスペーサ９３が分散して接合体９１に伝達し、接合体９１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体９１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体９１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００７０】
図１１は参考例３であり、筐体を湾曲させて接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図１１（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図１１（ｂ）に示している。参考例３は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体１０１と、接合体１０１に隣接して配置される筐体１０２で構成される燃料電池である。参考例３においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００７１】
筐体１０２は接合体１０１と略同一サイズの板状の部材であり、中央部分が接合体１０１方向に凸に湾曲した形状を成している。ここで湾曲の形状としては筐体１０２の全面が一様な曲率で湾曲しているとしてもよく、ボルトなどで締結を行う締結部１０４周辺部分を平面形状にするとしてもよい。参考例３は、図６（ｂ）に示したように、平板の筐体を締結すると筐体は中央部分が接合体と反対側に膨らむ傾向があるため、その傾向と逆に予め筐体１０２を接合体１０１方向に膨らませて、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ったものである。
【００７２】
筐体１０２が接合体１０１に対して凸に湾曲した形状であり、筐体１０２の長辺近傍に形成された締結部１０４に押圧力を加えた場合には、筐体１０２と接合体１０１とは筐体１０２の突出した部分から接触し始める。締結部１０４に加えられる押圧力は、筐体１０２が変形して接合体１０１と全面にわたって接触するまで加えられる。このため、締結部１０４から接合体１０１に伝達される押圧力は接合体１０１の中央部分に分散されて、接合体１０１の略全面にわたって均一に加えられる。
【００７３】
筐体が平坦な板状部材である比較例２に対しての筐体１０２の湾曲の効果を確認するために、参考例３のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体１０１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体１０２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体１０２の長手方向の辺に形成された締結部１０４に集中荷重を行い、接合体１０１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００７４】
図１１（ｂ）に示した参考例３での接合体１０１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１１（ｂ）から明らかなように、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とすることによって、接合体１０１の中央部分に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００７５】
したがって、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とすることによって、締結部１０４に加えられた押圧力を筐体１０２の湾曲部分が分散して接合体１０１に伝達し、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体１０１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体１０１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００７６】
図１２は、参考例４として第五の実施の形態と同様に、筐体の中央部分を接合体方向に凸に湾曲させ、接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図１２（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図１２（ｂ）に示している。第五の実施の形態との相違点は、筐体に加える押圧力を接合体の面に平行に加える点であり、燃料電池のシミュレーションに用いる構造は第五の実施の形態と同様であるために同一の符号を用いて説明を行う。
【００７７】
図１２（ｂ）に示した参考例４での接合体１０１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１２（ｂ）から明らかなように、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、筐体１０２の長辺に形成された締結部１０５において、接合体１０１の面に平行方向に押圧力を加えることによって、接合体１０１の中央部分に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００７８】
したがって、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、接合体１０１の面に平行方向に押圧力を加えることによって、締結部１０５に加えられた押圧力を筐体１０２の湾曲部分が分散して接合体１０１に伝達し、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体１０１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体１０１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００７９】
図１３は参考例５として、第五の実施の形態と同様に、筐体の中央部分を接合体方向に凸に湾曲させ、接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図１３（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図１３（ｂ）に示している。第五の実施の形態との相違点は、筐体に加える押圧力を接合体の面に平行方向と垂直方向に加える点であり、燃料電池のシミュレーションに用いる構造は第五の実施の形態と同様であるために同一の符号を用いて説明を行う。
【００８０】
図１３（ｂ）に示した参考例５での接合体１０１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１３（ｂ）から明らかなように、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、筐体１０２の長辺に形成された締結部１０５において接合体１０１の面に平行方向に押圧力を加えるとともに、筐体１０２の長辺近傍に形成された締結部１０４において接合体１０１の面に垂直方向に押圧力を加えることによって、接合体１０１の中央部分および長辺近傍に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００８１】
したがって、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、接合体１０１の面に平行方向および垂直方向に押圧力を加えることによって、締結部１０５に加えられた押圧力を筐体１０２の湾曲部分が分散して接合体１０１に伝達し、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体１０１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体１０１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００８２】
本実施の形態では、接合体を構成する集電体を加工することで筐体に加えられる押圧力を分散して、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させる。図１４に集電体を加工して接合体を形成した燃料電池の構成例を示す。本実施の形態においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００８３】
図１４（ａ）は、電解質１１１に集電体１１２，１１３を形成して接合体を構成し、筐体１１４の長辺近傍に形成された締結部１１５において、電解質１１１の面に垂直方向に押圧力を加える様子を示した断面図である。電解質１１１と接触して配される集電体１１２は電解質１１１と略同一サイズであり、電解質１１１と集電体１１２とは互いに略全面にわたって接触している。集電体１１３は、集電体１１２よりも小さく形成されて集電体１１２に隣接して中央部分に配されている。
【００８４】
筐体１１４は平板な部材であるため、締結部１１５に押圧力を加えた場合には図６（ｂ）に示したように中央部分が接合体と反対側に膨らんでしまう。そこで、接合体を構成する集電体を大小二枚の部材を重ね合わせた形状とすることによって、電解質１１１と集電体１１２の中央部分に加わる応力が増加するようにしたものである。
【００８５】
図１４（ｂ）は、中央が電解質１２１方向に凸に湾曲した集電体１２２と電解質１２１とによって接合体を構成し、筐体１２４の長辺近傍に形成された締結部１２５において、電解質１２１の面に垂直方向に押圧力を加える様子を示した断面図である。電解質１２１に隣接して配される集電体１２２は電解質１２１と略同一サイズであり、中央部分が電解質１２１方向に凸に湾曲した形状となっている。
【００８６】
筐体１２４は平板な部材であるため、締結部１２５に押圧力を加えた場合には図６（ｂ）に示したように中央部分が接合体と反対側に膨らんでしまう。そこで、接合体を構成する集電体１２２の中央部分を電解質１２１方向に凸に湾曲した形状とすることによって、電解質１２１と集電体１２２の中央部分に加わる応力が増加するようにしたものである。
【００８７】
図１４（ａ）に示した大小二枚の集電体を重ね合わせた場合にも、図１４（ｂ）に示した集電体の中央を電解質方向に凸に湾曲させた場合にも、筐体の長辺近傍に加えられた押圧力は集電体によって分散され、電解質と集電体の中央部分での応力を増加させると考えられる。接合体に加わる応力分布を均一化することによって、接合体の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上のように本願発明の燃料電池によれば、締結部に加えられた圧力をスペーサによって分散して接合体に伝えることにより、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【００８９】
加えて、スペーサを、筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、接合体に圧力を加える加圧部と、受圧部と加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有するものとし、加圧部と受圧部との間に二重構造を設け、二重構造の間に伝達部材によって中空領域が形成されている構造としたので、スペーサにより圧力の分散を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図２】 本発明の第一の実施の形態で用いた燃料電池の分解図であり、図２（ａ）はスペーサを配置しない比較例１を示し、図２（ｂ）は格子状のスペーサを配置した実施例１を示している。
【図３】 シミュレーションによって計算したスペーサを配置しない比較例１での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図４】 シミュレーションによって計算したスペーサを配置した実施例１での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図５】 比較例１と実施例１を用いて発電を行ったときの出力電流値と出力電圧値を示すグラフである。
【図６】 燃料電池を簡素化して筐体と接合体でモデル化した場合でのスペーサを配置しない比較例２を示す図であり、図６（ａ）は断面図であり、図６（ｂ）はシミュレーションによって筐体と接合体の変形を計算した結果を示す図である。
【図７】 シミュレーションによって、スペーサを配置しない比較例２での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図８】 スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例２を示す図であり、図８（ａ）は断面図であり、図８（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図９】 スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例３を示す図であり、図９（ａ）は断面図であり、図９（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１０】 スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例４を示す図であり、図１０（ａ）は断面図であり、図１０（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１１】 筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例５を示す図であり、図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１２】 筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例６を示す図であり、図１２（ａ）は断面図であり、図１２（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１３】 筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例７を示す図であり、図１３（ａ）は断面図であり、図１３（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１４】 実施例８として接合体の集電体を加工することによって圧力の分散を図ったものであり、図１４（ａ）は大小の集電体を重ね合わせた例を示し、図１４（ｂ）は集電体を湾曲させた例を示す。
【図１５】 従来の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図１６】 触媒層と電解質との接触する界面での微視的構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，１１１，１２１ 電解質
２，３，２２，２３，４２，４３，１１２，１１３，１２２ 集電体
４，２４，４４，６１，７１，８１，９１，１０１ 接合体
５，６，２５，２６，４５，６２，７２，８２，９２，１０２，１１４，１２４筐体
７，２７，４７ 燃料流路板
８，２８ 空気流路板
９，２９ ボルト
１０，１１，３０，３１ 触媒層
１２，３５，５５ 燃料流路
１３，３６ 空気流路
１４ 真実接触面積
３２，３３，５３，７３，８３，９３ スペーサ
３４，５４ 締結孔
３７ 開口部
６３，７４，８４，９４，１０４，１０５，１１５，１２５ 締結部
７５，８５，９５ 受圧部
７６，８６，９６ 加圧部
７７，８７，９７ 伝達部
８８，９８ 中空領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池を用いた発電システムでは、図１５に示すように、電解質１と集電体２，３を組み合わせた接合体４を外側から筐体５，６で包み込んでパッケージ化した燃料電池を用いているものがある。このようなパッケージでは、筐体５，６内部に配置される接合体４や燃料流路板７、空気流路板８等の部材が分離しないように、筐体５，６をボルト９によって締結している。しかし、筐体５，６を締結することができる位置は接合体４が配置された領域外に限定され、筐体５，６の外周近辺でのみ締結を行うことになる。
【０００６】
一方、接合体４での発電は、燃料流路板７に形成された燃料流路１２から集電体２が燃料を受け取り、空気流路板８に形成された空気流路１３から集電体３が空気を受け取ることで行われる。一般に集電体２，３の電解質１と接触する面にはそれぞれ触媒層１０，１１が形成されており、触媒層１０，１１と電解質１の接触部分で発電反応が起きる。しかし、触媒層１０，１１と電解質１の界面は微小な凹凸が存在し、微視的には図１６に示すように触媒層１０，１１と電解質１とが現実に接触している面積（真実接触面積１４）が存在する。
【０００７】
筐体５，６の外周近辺でのみ締結を行った場合には、電解質１と触媒層１０，１１との界面に働く応力は、締結部分に近い部分に強くはたらき、締結部分から離れるに従って緩和される分布になっていると推測され、電解質１の周縁部は触媒層１０，１１と強く接触し、接合体４の面中心に向かって応力が緩和してゆくことになる。つまり電解質１と触媒層１０，１１の界面の密着性が面全体で均一ではないと考えられ、触媒反応の効率が悪化したり電気抵抗が悪化して、燃料電池全体での発電効率が悪化する原因であると考えられる。
【０００８】
したがって本願発明は、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させて発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体と、前記筐体と前記接合体との間に配置されて前記締結部からの圧力を分散させて前記接合体に伝えるスペーサとを備えている。スペーサは矩形状の板状部材であり、前記筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、前記接合体に圧力を加える加圧部と、前記受圧部と前記加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有すると共に、前記加圧部と受圧部との間に二重構造を有し、前記二重構造の間に前記伝達部材によって中空領域が形成されている。
【００１０】
本願発明の燃料電池では、締結部に加えられた圧力をスペーサによって分散して接合体に伝えることにより、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池および燃料電池の設計方法について、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。
【００２３】
図１は本発明の参考例としての燃料電池パッケージの構成を示す分解斜視図である。電解質２１と集電体２２，２３を組み合わせた接合体２４をスペーサ３２，３３で挟みこみ、スペーサ３２，３３の外側にそれぞれ燃料流路板２７、空気流路板２８を配置し、これらの部材を外側から筐体２５，２６で包み込んで燃料電池をパッケージ化する。このとき、筐体２５，２６内部に配置される接合体２４や、燃料流路板２７、空気流路板２８、スペーサ３２，３３等の部材が分離しないように、筐体２５，２６をボルト２９によって締結している。筐体２５，２６を締結する位置は接合体２４が配置された領域外であり、筐体２５，２６の外周近辺でのみ締結を行う。
【００２４】
電解質２１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。
【００２５】
集電体２２，２３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。この集電体２２，２３で電解質２１を挟み込んで接合体２４が構成される。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２２，２３の電解質２１と接触する面にはそれぞれ触媒層３０，３１が形成されており、触媒層３０，３１と電解質２１の接触部分で発電反応が起きる。触媒層３０，３１は、電解質２１と集電体２２，２３の界面での化学反応を促進する材質を用い、例えば本発明では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している。
【００２６】
筐体２５，２６は矩形状の平板部材であり、外周近辺にはボルト２９を通す締結孔３４が形成されている。筐体２５，２６は接合体２４、スペーサ３２，３３、燃料流路板２７および空気流路板２８よりも外形が大きく、締結孔３４にボルト２９を通して筐体２５，２６を締結した場合にも、ボルト２９が他の部材に干渉しない。また、筐体２５，２６はボルト２９の締結によって各部材に対して押圧力を加えるための部材であり、ボルト２９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され、本実施の形態では例えばアルミニウムを用いている。
【００２７】
燃料流路板２７は、複数の溝である燃料流路３５が形成された板状の部材であり、燃料流路３５が集電体２２方向に向くように配置されている。また空気流路板２８は、複数の溝である空気流路３６が形成された板状の部材であり、空気流路３６が集電体２３方向に向くように配置されている。燃料流路３５と空気流路３６の溝方向は互いに直角となるように配置され、燃料流路３５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３６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る。
【００２８】
スペーサ３２，３３は集電体２２，２３の略全面に接する板状の部材であり、集電体２２と燃料流路板２７との間にスペーサ３２が配され、集電体２３と空気流路板２８との間にスペーサ３３が配されている。燃料流路３５および空気流路３６を流れる燃料ガスと酸素を集電体２２，２３に供給する必要が有るため、スペーサ３２，３３には開口部３７が形成され、気体を透過させることが可能となっている。スペーサ３２，３３を多孔質な材質で形成してスペーサ３２，３３の内部を燃料ガスおよび酸素が流れるようにしてもよい。スペーサ３２，３３は、燃料流路板２７と空気流路板２８とから伝えられた押圧力が接合体２４に対して均一に加わるように、面の一部に加えられた押圧力を分散する機能を有している。押圧力を分散して伝達するためには、スペーサ３２，３３はある程度の剛性を有する材質によって形成される必要がある。
【００２９】
接合体２４での発電は、燃料流路板２７に形成された燃料流路３５からスペーサ３２を介して集電体２２が燃料を受け取り、空気流路板２８に形成された空気流路３６からスペーサ３３を介して集電体２３が空気を受け取り、接合体２４においてＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の如き反応と１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり、結果として水が生成される。水素ガス（Ｈ２）が燃料流路３５を通過する間にプロトンを発生させ、解離したプロトン（Ｈ＋）は集電体２２から集電体２３に向かって電解質２１の膜中を移動する。この移動したプロトンは、集電体２３の触媒層３１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。
【００３０】
図１では、各部材の配置関係を明示するために図示を省略しているが、筐体２５，２６の内部に配置される各部材の周囲と筐体２５，２６の間には、気密を保持するための気密部材が配置されており、燃料流路３５および空気流路３６からの燃料ガスや酸素が漏洩しない構造となっている。
【００３１】
筐体２５，２６の締結は、筐体２５，２６の外周近辺に形成された締結孔３４でのボルト２９の締結により行われる。このため、筐体２５，２６がある程度の剛性を有する材質で形成されていたとしても、燃料流路板２７および空気流路板２８に加わる押圧力の分布は外周近辺が大きく中心付近が小さい圧力となってしまう。しかし、燃料流路板２７および空気流路板２８に加わった圧力はスペーサ３２，３３に伝達され、スペーサ３２，３３の主として外周付近に押圧力が加わったとしても、スペーサ３２，３３が剛性を有する材質で形成されていることから、スペーサ３２，３３の面全体が接合体２４に押圧力を伝えることになる。
【００３２】
したがって、スペーサ３２，３３が接合体２４に隣接して配されていることによって、接合体２４の中心付近に加わる圧力を大きくすることができる。また、スペーサ３２，３３が集電体２２，２３の略全面に接するため、接合体２４に加わる押圧力の分布を接合体２４の全面に均一なものに近づけることができる。
【００３３】
接合体２４に加わる押圧力の分布が均一なものに近づくと、触媒層３０，３１と電解質２１との界面に存在する真実接触面積が大きくなり、発電反応が起こる面積が増加するために燃料電池の発電効率が向上するはずである。そこで、スペーサを配置した燃料電池と、スペーサを配置しない燃料電池を作成して出力電流値と出力電圧値を測定するとともに、接合体に加わる応力分布をコンピュータによってシュミレーションし、接合体に加わる応力の分布と発電効率との関係を調べることにする。
【００３４】
図２（ａ）は比較例１としてのスペーサを配置しない燃料電池の構成を示した分解図であり、図２（ｂ）は参考例１としてのスペーサを配置した燃料電池の構成を示した分解図である。比較例１と参考例１ともに、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。比較例１および参考例１ともに、電解質４１を集電体４２と集電体４３で挟み込んで接合体４４が形成されている。また、筐体４５と燃料流路板４７が略同一の形状に形成されて接合され、燃料流路板４７の集電体４２と接する面には燃料流路５５が形成されている。筐体４５と燃料流路板４７は外周部分が枠形状を成しており、燃料電池の気密を確保する気密部材としても機能する。
【００３５】
図２（ｂ）に示した参考例１においては、集電体４２と燃料流路板４７との間および集電体４３と図示していない空気流路板との間にスペーサ５３が配されている。スペーサ５３は、樹脂によって形成された格子形状の平板な板状部材であり、外形は集電体４２，４３よりも小さく、格子形状であるために開口部分を燃料ガスや酸素が通過可能となっている。ここでは、格子形状の平板部材をスペーサ形状の例として示したが、平板状の部材に開口部を複数設けて網目状の部材を形成するとしても良い。また、スペーサ５３と集電体４２，４３との間に接着層を形成し、スペーサ５３と集電体４２，４３との密着性を向上させて接合体４４に均一に圧力を伝達するとしてもよい。
【００３６】
さらに、比較例１および参考例１ともに、図１に示したように空気流路が形成された空気流路板と筐体とによって接合体４４を挟み込む構造を持つが、図２では図示を省略している。筐体４５と燃料流路板４７および図示していない筐体と空気流路板の外周部分には締結孔５４が形成されており、筐体４５と図示していない筐体とを対向させて締結孔５４をボルト等で締め付けることで接合体４４に対して押圧力が加えられる。
【００３７】
上述したスペーサを配置しない比較例１の燃料電池と、スペーサを配置した参考例１の燃料電池とを、同一形状、同一材質、同一サイズで形成し、ボルトを同一の推力で締結したとして、コンピュータを用いて有限要素法を用いて燃料電池の構造を数値モデル化し、接触構造解析を行って接合体４４に加わる応力の分布をシミュレーションした。
【００３８】
図３は、スペーサを配置しない比較例１における接合体の応力分布のシミュレーション結果を示す図である。図では応力が０．０〜０．６ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲を示している。また、図中で黒色が濃い領域は応力が０．１ｇｆ／ｍｍ２以下の領域である。図から明らかなように、筐体の締結が外周部分で行われているために、接合体４４に加わる応力は接合体４４の外周近辺に集中しており、接合体４４の中央付近では応力が低くなっている。図３での応力が０．１ｋｇｆ／ｍｍ２以上の領域の面積は、接合体４４の全面積の３６．０％であった。
【００３９】
図４は、スペーサを配置する参考例１における接合体の応力分布のシミュレーション結果を示す図である。図では応力が０．０〜０．６ｋｇｆ／ｍｍ2の範囲を示している。また、図中で黒色が濃い領域は応力が０．１ｇｆ／ｍｍ2以下の領域である。図から明らかなように、スペーサ５３を接合体４４に隣接して配置したことにより、筐体の締結を外周部分で行っていても、接合体４４に加わる応力は外周近辺に集中せずに接合体４４の中央付近でも応力が大きく加わっている。図４での応力が０．１ｋｇｆ／ｍｍ2以上の領域の面積は、接合体４４の全面積の６８．４％であった。
【００４０】
次に、図２（ａ）に示したスペーサを配置しない比較例１と、図２（ｂ）に示したスペーサを配置した参考例１の燃料電池に、同一流量の水素ガスと酸素を供給して実際に発電反応を行わせて、出力電圧と出力電流の関係を測定した。図５は燃料電池の発電による出力電流値と出力電圧値をグラフに示した特性図である。図中で黒塗りの四角で示したグラフがスペーサを配置しない比較例１での出力を示したものであり、黒塗りの三角で示したグラフがスペーサを配置した参考例１での出力を示したものである。
【００４１】
図５から明らかなように、参考例１と比較例１とを同一の出力電圧値で比較した場合には、スペーサを配置した参考例１のほうが出力電流値が大きく、電力値が大きいことが分かる。例えば、図中に太線で示した出力電圧値が６００ｍＶでは、図中破線で示したように、比較例１の出力電流値は２８．６ｍＡであり、参考例１の出力電流値は３８．１ｍＡであった。したがって、スペーサを配置したことによって発電効率は約３３％向上したことがわかる。
【００４２】
図３および 図４に示したシミュレーションによる応力分布での応力が０．１ｋｇｆ／ｍｍ2以上の面積比率は、比較例１で３６．０％であり参考例１で６８．４％であったことから、スペーサを配置したことによる接合体４４に加わる応力０．１ｋｇｆ／ｍｍ2以上の面積が３２．４％増加したことが分かる。応力分布でのある一定値以上の面積比率の増加が、実測による発電効率の向上とほぼ同程度であることから、発電効率の向上は応力分布の均一化に起因するものであることがわかる。
【００４３】
接合体に加わる応力分布を均一化することにより、電解質と触媒層とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００４４】
また、コンピュータを用いて有限要素法により接触構造解析を行い、接合体に加わる応力分布をシミュレーションすることにより、スペーサや筐体などの燃料電池を構成する部材の形状や材質形状を変化させた場合にも、応力分布を計算することが可能である。これにより、実際に燃料電池を形成する前にシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算し、応力が一定値以上の領域面積比を計算することによって、燃料電池の発電効率を予測することが可能となる。計算によって燃料電池の発電効率の向上をある程度予測することができるために、燃料電池の開発速度を向上させることが可能である。
【００４５】
次に、燃料電池の設計に際してコンピュータを用いて有限要素法による接触構造解析を行って、スペーサの形状ごとに接合体に加わる応力分布を計算して、発電効率の向上を予測した例を示す。以下の実施の形態で示すシミュレーションでは、筐体と燃料流路板または空気流路板とが一体に形成されたとして、筐体とスペーサと接合体との関係だけを示して計算を行うが、燃料電池の構成は図１に示したものと同様であるとする。
【００４６】
図６にスペーサを配置しない場合の燃料電池の構成を比較例２として、図６（ａ）に断面図を示し、シミュレーションにより得られた各部材の変形を図６（ｂ）に示している。比較例２は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体６１と、接合体６１に隣接して配置する筐体６２で構成される燃料電池である。比較例２においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００４７】
シミュレーションモデルとして、接合体６１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体６２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いて、有限要素法による接触構造解析で各部材の変形量を計算した。図６（ｂ）には、長手方向の辺に形成された締結部６３に集中荷重を行い、接合体６１の面方向に対して垂直に締結を行った場合での、接合体６１と筐体６２との変形を計算した結果を示している。図６（ｂ）から明らかなように、筐体６２の長手方向の辺に形成された締結部６３でのみ締結を行ったことにより、接合体６１および筐体６２の中央部分が接合体６１が配された側と反対に凸形状に変形してしまうことが分かる。
【００４８】
図７に比較例２での接合体６１での応力分布を計算した結果を示す。図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図から明らかなように、接合体６１に加わる応力は締結部６３周辺が特に大きく、それより遠ざかるにつれて緩和されている。
【００４９】
上述した参考例１で説明したように、接合体６１に加わる応力が一定値以上の領域を増加させることによって、接合体６１での触媒層と電解質との真実接触面積を増加させて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。したがって、図６に示した比較例２の筐体６２と接合体６１との間にスペーサを挿入して、筐体６２から接合体６１に伝達される押圧力をスペーサによって分散させた場合にも、有限要素法による接触構造解析を用いたシミュレーションによって応力分布の変化を計算することで、燃料電池の発電効率向上を予測することが可能である。
【００５０】
図８は参考例２であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を図８（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図８（ｂ）に示している。参考例２は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体７１と、接合体７１に隣接して配置されるスペーサ７３と、スペーサ７３に隣接して配置される筐体７２で構成される燃料電池である。参考例２においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００５１】
スペーサ７３は、接合体７１と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、中央部分が長手方向に沿って接合体７１方向に凸となるように屈曲されている。したがって、スペーサ７３は筐体７２方向に突出した受圧部７５と、中央部分が接合体７１方向に突出した加圧部７６と、受圧部７５と加圧部７６とを連結する伝達部７７とを有している。受圧部７５はスペーサ７３の長辺付近に形成された平面部分であり筐体７２と接している。加圧部７６はスペーサ７３の中央部分に形成された平面部分であり接合体７１と接している。受圧部７５と加圧部７６の面積は略同一である。加圧部７６が接合体７１と面接触するために、スペーサ７３は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【００５２】
スペーサ７３が筐体７２と接合体７１との間に配置されていることにより、筐体７２の長辺近傍に形成された締結部７４に押圧力を加えたとしても、スペーサ７３の受圧部７５が筐体７２から押圧力を受け、伝達部７７を介して加圧部７６が接合体７１に押圧力を伝達するため、接合体７１に加わる応力は締結部７４から分散されて接合体７１の中央部分にも加えられる。
【００５３】
スペーサを配置しない比較例２に対してのスペーサ７３の効果を確認するために、参考例２のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体７１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体７２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体７２の長手方向の辺に形成された締結部７４に集中荷重を行い、接合体７１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００５４】
図８（ｂ）に示した参考例２での接合体７１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図８（ｂ）から明らかなように、スペーサ７３を筐体７２と接合体７１との間に挿入したことによって、スペーサ７３の伝達部７７が形成されている領域近辺での接合体７１に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００５５】
したがって、スペーサ７３として屈曲した板状であり面の中央部分が接合体７１に対して凸に形成されているものを用いることによって、筐体７２に加えられた圧力をスペーサ７３が分散して接合体７１に伝達し、接合体７１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体７１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体７１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００５６】
図９は本発明に係る実施例１であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を 図９（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図９（ｂ）に示している。実施例１は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体８１と、接合体８１に隣接して配置されるスペーサ８３と、スペーサ８３に隣接して配置される筐体８２で構成される燃料電池である。実施例１においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００５７】
スペーサ８３は接合体８１と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、長辺部分の筐体８２側に形成された受圧部８５と、接合体８１側に形成された加圧部８６と、受圧部８５と加圧部８６とを連結する伝達部８７とを有している。受圧部８５はスペーサ７３の長辺付近に形成された平面部分であり筐体８２と接している。加圧部８６はスペーサ８３の接合体８１側の全面に形成された平面部分であり接合体８１と接している。スペーサ８３の長辺部分は、長手方向に沿って受圧部８５と加圧部８６との二重構造を形成し、その二重構造の間には伝達部７７によって中空領域８８が形成されている。
【００５８】
受圧部８５の面積よりも加圧部８６の面積のほうが大きく、加圧部８６の全面が接合体８１と接触して圧力の伝達を行うため、接合体８１の略全面に圧力が均一に加えられる。加圧部８６が接合体８１と面接触するために、スペーサ８３は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【００５９】
スペーサ８３が筐体８２と接合体８１との間に配置されていることにより、筐体８２の長辺近傍に形成された締結部８４に押圧力を加えたとしても、スペーサ８３の受圧部８５が筐体８２から押圧力を受け、伝達部８７を介して加圧部８６が接合体８１に押圧力を伝達するため、接合体８１に加わる応力は締結部８４から分散されて接合体８１の略全面にわたって均一に加えられる。
【００６０】
スペーサを配置しない比較例２に対してのスペーサ８３の効果を確認するために、実施例１のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体８１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体８２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体８２の長手方向の辺に形成された締結部８４に集中荷重を行い、接合体８１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００６１】
図９（ｂ）に示した実施例１での接合体８１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図９（ｂ）から明らかなように、スペーサ８３を筐体８２と接合体８１との間に挿入したことによって、スペーサ８３の伝達部８７が形成されている領域近辺での接合体８１に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００６２】
したがって、スペーサ８３として受圧部８５と加圧部８６と伝達部８７とを有し、スペーサ８３の長辺部分が長手方向に沿って受圧部８５と加圧部８６との二重構造を形成し、加圧部８６が接合体８１の略全面と接するものを用いることによって、筐体８２に加えられた圧力をスペーサ８３が分散して接合体８１に伝達し、接合体８１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体８１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体８１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００６３】
図１０は本発明に係る実施例２であり、スペーサを配置した場合の燃料電池の構成を 図１０（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を 図１０（ｂ）に示している。実施例２は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体９１と、接合体９１に隣接して配置されるスペーサ９３と、スペーサ９３に隣接して配置される筐体９２で構成される燃料電池である。実施例２においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００６４】
スペーサ９３は、接合体９１と略同一の面積を有する矩形状の板状部材であり、筐体９２側に形成された受圧部９５と、接合体９１側に形成された加圧部９６と、受圧部９５と加圧部９６とを連結する伝達部９７とを有している。受圧部９５および加圧部９６は接合体９１と略同一の面積の平面部分であり、受圧部９５と加圧部９６との二重構造を形成し、その二重構造の間には伝達部９７によって中空領域９８が形成されている。
【００６５】
受圧部９５と加圧部９６の面積は同一であり、受圧部９５の全面が筐体９２と接触し、加圧部９６の略全面が接合体９１と接触して圧力の伝達を行うため、接合体９１の略全面に圧力が均一に加えられる。加圧部９６が接合体９１と面接触するために、スペーサ９３は燃料ガスや酸素を透過するように多孔質な材料で形成することが望ましい。
【００６６】
スペーサ９３が筐体９２と接合体９１との間に配置されていることにより、筐体９２の長辺近傍に形成された締結部９４に押圧力を加えたとしても、スペーサ９３の受圧部９５が筐体９２から押圧力を受け、伝達部９７を介して加圧部９６が接合体９１に押圧力を伝達するため、接合体９１に加わる応力は締結部９４から分散されて接合体９１の略全面にわたって均一に加えられる。
【００６７】
スペーサを配置しない比較例２に対してのスペーサ９３の効果を確認するために、実施例２のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体９１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体９２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体９２の長手方向の辺に形成された締結部９４に集中荷重を行い、接合体９１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００６８】
図１０（ｂ）に示した実施例２での接合体９１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１０（ｂ）から明らかなように、スペーサ９３を筐体９２と接合体９１との間に挿入したことによって、接合体９１のほぼ全面に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００６９】
したがって、スペーサ９３として受圧部９５と加圧部９６と伝達部９７とを有し、受圧部９５と加圧部９６とが接合体９１と略同一面積の二重構造を形成し、加圧部９６が接合体９１の略全面と接するものを用いることによって、筐体９２に加えられた圧力をスペーサ９３が分散して接合体９１に伝達し、接合体９１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体９１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体９１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００７０】
図１１は参考例３であり、筐体を湾曲させて接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図１１（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図１１（ｂ）に示している。参考例３は、縦横の辺の長さが３０ｍｍ×７０ｍｍの矩形状の接合体１０１と、接合体１０１に隣接して配置される筐体１０２で構成される燃料電池である。参考例３においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００７１】
筐体１０２は接合体１０１と略同一サイズの板状の部材であり、中央部分が接合体１０１方向に凸に湾曲した形状を成している。ここで湾曲の形状としては筐体１０２の全面が一様な曲率で湾曲しているとしてもよく、ボルトなどで締結を行う締結部１０４周辺部分を平面形状にするとしてもよい。参考例３は、図６（ｂ）に示したように、平板の筐体を締結すると筐体は中央部分が接合体と反対側に膨らむ傾向があるため、その傾向と逆に予め筐体１０２を接合体１０１方向に膨らませて、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ったものである。
【００７２】
筐体１０２が接合体１０１に対して凸に湾曲した形状であり、筐体１０２の長辺近傍に形成された締結部１０４に押圧力を加えた場合には、筐体１０２と接合体１０１とは筐体１０２の突出した部分から接触し始める。締結部１０４に加えられる押圧力は、筐体１０２が変形して接合体１０１と全面にわたって接触するまで加えられる。このため、締結部１０４から接合体１０１に伝達される押圧力は接合体１０１の中央部分に分散されて、接合体１０１の略全面にわたって均一に加えられる。
【００７３】
筐体が平坦な板状部材である比較例２に対しての筐体１０２の湾曲の効果を確認するために、参考例３のシミュレーションモデルも比較例２と同様に、接合体１０１の電解質をポリエチレンナフタレートであるとし、筐体１０２をアルミニウムとした場合の材料物性値を用いる。また、筐体１０２の長手方向の辺に形成された締結部１０４に集中荷重を行い、接合体１０１の面方向に対して垂直に締結を行ったとして、有限要素法による接触構造解析で計算した。
【００７４】
図１１（ｂ）に示した参考例３での接合体１０１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１１（ｂ）から明らかなように、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とすることによって、接合体１０１の中央部分に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００７５】
したがって、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とすることによって、締結部１０４に加えられた押圧力を筐体１０２の湾曲部分が分散して接合体１０１に伝達し、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体１０１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体１０１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００７６】
図１２は、参考例４として第五の実施の形態と同様に、筐体の中央部分を接合体方向に凸に湾曲させ、接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図１２（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図１２（ｂ）に示している。第五の実施の形態との相違点は、筐体に加える押圧力を接合体の面に平行に加える点であり、燃料電池のシミュレーションに用いる構造は第五の実施の形態と同様であるために同一の符号を用いて説明を行う。
【００７７】
図１２（ｂ）に示した参考例４での接合体１０１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１２（ｂ）から明らかなように、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、筐体１０２の長辺に形成された締結部１０５において、接合体１０１の面に平行方向に押圧力を加えることによって、接合体１０１の中央部分に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００７８】
したがって、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、接合体１０１の面に平行方向に押圧力を加えることによって、締結部１０５に加えられた押圧力を筐体１０２の湾曲部分が分散して接合体１０１に伝達し、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体１０１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体１０１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００７９】
図１３は参考例５として、第五の実施の形態と同様に、筐体の中央部分を接合体方向に凸に湾曲させ、接合体に加わる応力の分散を図った場合の燃料電池の構成を図１３（ａ）に断面図で示し、接合体に加わる応力分布のシミュレーション結果を図１３（ｂ）に示している。第五の実施の形態との相違点は、筐体に加える押圧力を接合体の面に平行方向と垂直方向に加える点であり、燃料電池のシミュレーションに用いる構造は第五の実施の形態と同様であるために同一の符号を用いて説明を行う。
【００８０】
図１３（ｂ）に示した参考例５での接合体１０１に加わる応力分布を計算した結果では、図中で濃い黒色で示された領域は応力が小さい領域であり、薄い黒色で示された領域は応力が大きい領域である。図１３（ｂ）から明らかなように、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、筐体１０２の長辺に形成された締結部１０５において接合体１０１の面に平行方向に押圧力を加えるとともに、筐体１０２の長辺近傍に形成された締結部１０４において接合体１０１の面に垂直方向に押圧力を加えることによって、接合体１０１の中央部分および長辺近傍に加わる応力が増加しているのが分かる。
【００８１】
したがって、筐体１０２の中央部分を接合体１０１方向に凸な湾曲形状とし、接合体１０１の面に平行方向および垂直方向に押圧力を加えることによって、締結部１０５に加えられた押圧力を筐体１０２の湾曲部分が分散して接合体１０１に伝達し、接合体１０１に加わる応力分布の均一化を図ることができる。上述した第一の実施の形態で説明したように、接合体１０１に加わる応力分布を均一化することによって、接合体１０１の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００８２】
本実施の形態では、接合体を構成する集電体を加工することで筐体に加えられる押圧力を分散して、接合体の触媒層と電解質との真実接触面積を増加させる。図１４に集電体を加工して接合体を形成した燃料電池の構成例を示す。本実施の形態においても筐体と空気流路板または燃料流路板とを一体として形成したとしている。
【００８３】
図１４（ａ）は、電解質１１１に集電体１１２，１１３を形成して接合体を構成し、筐体１１４の長辺近傍に形成された締結部１１５において、電解質１１１の面に垂直方向に押圧力を加える様子を示した断面図である。電解質１１１と接触して配される集電体１１２は電解質１１１と略同一サイズであり、電解質１１１と集電体１１２とは互いに略全面にわたって接触している。集電体１１３は、集電体１１２よりも小さく形成されて集電体１１２に隣接して中央部分に配されている。
【００８４】
筐体１１４は平板な部材であるため、締結部１１５に押圧力を加えた場合には図６（ｂ）に示したように中央部分が接合体と反対側に膨らんでしまう。そこで、接合体を構成する集電体を大小二枚の部材を重ね合わせた形状とすることによって、電解質１１１と集電体１１２の中央部分に加わる応力が増加するようにしたものである。
【００８５】
図１４（ｂ）は、中央が電解質１２１方向に凸に湾曲した集電体１２２と電解質１２１とによって接合体を構成し、筐体１２４の長辺近傍に形成された締結部１２５において、電解質１２１の面に垂直方向に押圧力を加える様子を示した断面図である。電解質１２１に隣接して配される集電体１２２は電解質１２１と略同一サイズであり、中央部分が電解質１２１方向に凸に湾曲した形状となっている。
【００８６】
筐体１２４は平板な部材であるため、締結部１２５に押圧力を加えた場合には図６（ｂ）に示したように中央部分が接合体と反対側に膨らんでしまう。そこで、接合体を構成する集電体１２２の中央部分を電解質１２１方向に凸に湾曲した形状とすることによって、電解質１２１と集電体１２２の中央部分に加わる応力が増加するようにしたものである。
【００８７】
図１４（ａ）に示した大小二枚の集電体を重ね合わせた場合にも、図１４（ｂ）に示した集電体の中央を電解質方向に凸に湾曲させた場合にも、筐体の長辺近傍に加えられた押圧力は集電体によって分散され、電解質と集電体の中央部分での応力を増加させると考えられる。接合体に加わる応力分布を均一化することによって、接合体の触媒層と電解質とを密着させて触媒利用面積を増加させることや、接合体内部の接触抵抗を低減させることや、拡散層としての集電体での空隙性が一様となり、燃料の安定した拡散を維持し、出力の向上を図ることができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上のように本願発明の燃料電池によれば、締結部に加えられた圧力をスペーサによって分散して接合体に伝えることにより、接合体に加わる圧力分布が均一なものになり、接合体の電解質と集電体とが均一に接触し電解質と集電体の界面の真実接触面積が増加する。電解質と集電体とが実際に接触する面積が広がることにより、発電反応が起こり易くなって燃料電池の発電効率が向上する。
【００８９】
加えて、スペーサを、筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、接合体に圧力を加える加圧部と、受圧部と加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有するものとし、加圧部と受圧部との間に二重構造を設け、二重構造の間に伝達部材によって中空領域が形成されている構造としたので、スペーサにより圧力の分散を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図２】 本発明の第一の実施の形態で用いた燃料電池の分解図であり、図２（ａ）はスペーサを配置しない比較例１を示し、図２（ｂ）は格子状のスペーサを配置した実施例１を示している。
【図３】 シミュレーションによって計算したスペーサを配置しない比較例１での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図４】 シミュレーションによって計算したスペーサを配置した実施例１での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図５】 比較例１と実施例１を用いて発電を行ったときの出力電流値と出力電圧値を示すグラフである。
【図６】 燃料電池を簡素化して筐体と接合体でモデル化した場合でのスペーサを配置しない比較例２を示す図であり、図６（ａ）は断面図であり、図６（ｂ）はシミュレーションによって筐体と接合体の変形を計算した結果を示す図である。
【図７】 シミュレーションによって、スペーサを配置しない比較例２での接合体に加わる応力分布を示す図である。
【図８】 スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例２を示す図であり、図８（ａ）は断面図であり、図８（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図９】 スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例３を示す図であり、図９（ａ）は断面図であり、図９（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１０】 スペーサを筐体と接合体の間に配置した実施例４を示す図であり、図１０（ａ）は断面図であり、図１０（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１１】 筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例５を示す図であり、図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１２】 筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例６を示す図であり、図１２（ａ）は断面図であり、図１２（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１３】 筐体を湾曲させて圧力の分散を図った実施例７を示す図であり、図１３（ａ）は断面図であり、図１３（ｂ）はシミュレーションによって接合体に加わる応力分布を計算した結果を示す図である。
【図１４】 実施例８として接合体の集電体を加工することによって圧力の分散を図ったものであり、図１４（ａ）は大小の集電体を重ね合わせた例を示し、図１４（ｂ）は集電体を湾曲させた例を示す。
【図１５】 従来の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図１６】 触媒層と電解質との接触する界面での微視的構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，１１１，１２１ 電解質
２，３，２２，２３，４２，４３，１１２，１１３，１２２ 集電体
４，２４，４４，６１，７１，８１，９１，１０１ 接合体
５，６，２５，２６，４５，６２，７２，８２，９２，１０２，１１４，１２４筐体
７，２７，４７ 燃料流路板
８，２８ 空気流路板
９，２９ ボルト
１０，１１，３０，３１ 触媒層
１２，３５，５５ 燃料流路
１３，３６ 空気流路
１４ 真実接触面積
３２，３３，５３，７３，８３，９３ スペーサ
３４，５４ 締結孔
３７ 開口部
６３，７４，８４，９４，１０４，１０５，１１５，１２５ 締結部
７５，８５，９５ 受圧部
７６，８６，９６ 加圧部
７７，８７，９７ 伝達部
８８，９８ 中空領域
Claims (4)
- 燃料電極集電体と酸素電極集電体とで電解質を挟持してなる接合体と、
前記接合体の外部に配され前記接合体に圧力を加える締結部を有する筐体と、
前記筐体と前記接合体との間に配置されて前記締結部からの圧力を分散させて前記接合体に伝えるスペーサとを備え、
前記スペーサは矩形状の板状部材であり、前記筐体から加えられる圧力を受ける受圧部と、前記接合体に圧力を加える加圧部と、前記受圧部と前記加圧部との間で力を伝達する伝達部とを有すると共に、前記加圧部と受圧部との間に二重構造を有し、前記二重構造の間に前記伝達部材によって中空領域が形成されている、燃料電池。 - 前記加圧部は前記接合体側の全面に形成されると共に、前記受圧部は前記矩形の２つの長辺部分それぞれの前記筐体側に形成され、前記加圧部の面積が前記受圧部のそれよりも大きい、請求項１記載の燃料電池。
- 前記加圧部は前記接合体側の全面に形成されると共に、前記受圧部は前記筐体側の全面に形成され、前記加圧部と前記受圧部との面積が同一である、請求項１記載の燃料電池。
- 前記スペーサが多孔質材料により形成されてなる、請求項１記載の燃料電池。
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