JPH10241707A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】均一な面圧が得られ高性能化及び長寿命化に結
び付く燃料電池を提供する。 【解決手段】燃料電池は、両側から電解質板１を挟む一
対の電極板２，３と、両電極板２，３の外側にそれぞれ
積層される一対の集電板４と、集電板端部支持部８及び
集電部９を有し、該集電板端部支持部８及び集電部９で
前記両集電板４に接し、当該両集電板４の外側にそれぞ
れ載置される一対のセパレータ６とを含む単位電池から
構成され、セパレータ６は、仕切板１２と、集電部９を
有し反応ガス流路５を形成する集電用波板１０と、シー
ル枠１１と、集電板端部支持部８を有する支持枠１３と
から構成され、スタック運転状態において集電板端部支
持部８及び集電部９に締付面圧が印加されたときの当該
支持枠１３の弾性変形量と当該集電用波板１０の弾性変
形量とが同程度となるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に係り、特
に、燃料電池のセパレータ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池およびセパレータ構造に
ついて、図４，５を参照し説明する。図４において、電
解質板１をアノード２及びカソード３の両電極板で挟
み、さらに該両電極板２，３を外側から挟んで設置され
る両集電板４と、反応ガス流路５を有するセパレータ６
とを含む単位電池を複数個積層して燃料電池(スタック)
が構成される。図に示すセパレータ６は一体形のセパレ
ータ構造であり、セパレータ６には、ウエットシール部
７と集電板端部支持部８と集電部９とが具備されてい
る。

【０００３】上記集電板端部支持部８をセパレータ６に
設ける技術は、特公平６−１０１３４２号公報で開示さ
れている。すなわち、集電板端部支持部は、電極板及び
集電板の端部が中に垂れ込み、電解質板と電極板または
集電板との接触性が悪くなるのを防ぐ目的で、電極板及
び集電板の端部を支えるために設けられている。

【０００４】ところで、従来のセパレータ６は、一般に
高強度で、弾性変形量の小さい材料で構成されていた。
そのため、電池のスタック立ち上げ時に締付面圧を印加
しても、セパレータ６の中央部に位置する集電部９はほ
とんど変形せず、電極板全体がほぼ水平に保たれるとい
う利点はあった。しかしながら、弾性変形量が小さい
と、両電極板２，３、集電板４、セパレータ６等の部材
の寸法誤差や熱変形の影響が大きくなり、電解質板，電
極板，集電板及びセパレータの各部材間に非接触部分が
生じて、各部材接触面間の面圧が均一にならないという
欠点もあった。

【０００５】そのために、図５に示すようなセパレータ
構造とし、セパレータ６の中央部の集電部９を構成する
部材として弾性変形量の大きい集電用波板１０を配設す
るものがある。すなわち、図５に示すセパレータ６は、
集電用波板１０と、ウエットシール部７を構成するシー
ル枠１１と、仕切板１２とから構成され、集電部９を有
する集電用波板１０の弾性変形量を大きくし、部材の寸
法誤差、熱変形の影響を吸収し、各部材接触面間の面圧
を均一にするものである。なお、このセパレータ６は、
シール枠１１の一部を加工して集電板端部支持部８を具
備してなるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術で
は、締付面圧が印加された場合の集電用波板１０の変形
量が集電板端部支持部８を構成する部材の変形量に比べ
て大きいので、図６に示すように、中央部の集電用波板
１０だけが圧縮され、集電板端部支持部８近傍の集電用
波板１０は中央部と同程度には圧縮されずに端部と中央
部との境界部に異常面圧が発生していた。そのため、電
極板３の端部並びに集電板４の端部で局部的に面圧が高
くなり、面圧が不均一になっていた。そしてこの面圧の
不均一が、電池内部の電流密度分布等の不均一に繋が
り、高性能でかつ長寿命の電池が得られないという問題
と結び付いていた。

【０００７】したがって、本発明の目的は、均一な面圧
が得られ高性能化及び長寿命化に結び付く燃料電池を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、両側から
電解質板を挟む一対の電極板と、該両電極板の外側にそ
れぞれ積層される一対の集電板と、集電板端部支持部及
び集電部を有し、該集電板端部支持部及び集電部で前記
両集電板に接し、当該両集電板の外側にそれぞれ載置さ
れる一対のセパレータとを含む単位電池を積層してなる
燃料電池において、前記セパレータは、スタック運転状
態において前記集電板端部支持部及び集電部に締付面圧
が印加されたときの当該集電板端部支持部を構成する部
材の弾性変形量と当該集電部を構成する部材の弾性変形
量とがほぼ同等となるように構成されていることにより
達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照し説明する。図１は、本発明による一実
施例の燃料電池(単位電池)の構成を示す部分断面図であ
る。図の燃料電池の単位電池は、電解質板１，アノード
２，カソード３，電極板３，集電板４，セパレータ６か
ら構成される。本実施例のセパレータ６は、ウエットシ
ール部７を構成するシール枠１１と、集電板端部支持部
８を構成する支持枠１３と、集電部９を構成し反応ガス
流路５を形成する集電用波板１０と、反応ガスの混合を
阻止する仕切板１２とから構成される。

【００１０】従来のセパレータ６は、図５に示すよう
に、ウエットシール部７と集電板端部支持部８とを有す
るシール枠１１と、集電部９を有する集電用波板１０
と、仕切板１２とから構成されるものであった。これに
対し、本実施例のセパレータ６は、電極板３及び集電板
４の端部を支えるという機能を果たすための集電板端部
支持部８を有する支持枠１３が、シール枠１１から分離
独立して新設されたものである。換言すれば、ウエット
シール部７または集電板端部支持部８を有する部材を別
体にし、ウエットシール部７を有するシール枠１１と集
電板端部支持部８を有する支持枠１３とに分離したもの
である。

【００１１】そして、集電板４の端部を支えるという機
能を果たす当該集電板端部支持部８を有する支持枠１３
の強度が、集電部９を有し反応ガス流路５を形成する集
電用波板１０の強度と同程度になるように該支持枠１３
の部材を選定し、支持枠１３の弾性変形量と集電用波板
１０の弾性変形量とが、ほぼ同等になるように構成して
いるものである。換言すれば、スタック運転状態におい
て集電板端部支持部８及び集電部９に締付面圧が印加さ
れたときの当該集電板端部支持部８を構成する部材の弾
性変形量と当該集電部９を構成する部材の弾性変形量と
が同程度になるよう構成されていると言える。尚、後述
するが、この時の弾性変形量は所定量の範囲にあること
が望ましい。

【００１２】これによって、締付面圧が印加された場合
のセパレータ６の集電板端部支持部８と集電部９との境
界部に発生する異常面圧、すなわち、支持枠１３と集電
用波板１０との境界部に発生する異常面圧が回避され、
面圧が均一になる。したがって、高性能化及び長寿命化
に結び付く燃料電池が得られるものである。なお、支持
枠１３は、締付面圧が印加された時にその位置がずれる
虞れがあるので、仕切板１２に接着して置くことが望ま
しいと言える。

【００１３】そして、燃料電池の単位電池は、 セパレ
ータの中央部(集電部９が形成されている領域)に配設さ
れた集電用波板１０と、端部(集電板端部支持部８が形
成されている領域)に配設された支持枠１３の上に、集
電板４,カソード３が順に積層され、さらに、シール枠
１１のウエットシール部７に電解質板１の端部が接触す
るようにして当該電解質板１がカソード３の上に重ねら
れ、電解質板１を中心として対称にアノード２，集電板
４，セパレータ６が載置されて構成される。

【００１４】図２は、図１に示した燃料電池(単位電池)
の構成を示す斜視図である。 集電板端部支持部８を有
する支持枠１３が仕切板１２に接着されている場合の単
位電池の全体斜視図を示している。

【００１５】以上を纏めれば、本発明による燃料電池の
特徴は、両側から電解質板１を挟む一対の電極板２，３
と、さらに該両電極板２，３の外側にそれぞれ積層され
る一対の集電板４と、さらに集電板端部支持部８及び集
電部９を有し、該集電板端部支持部８及び集電部９で両
集電板４に接し、当該両集電板４の外側にそれぞれ載置
される一対のセパレータ６とを含む単位電池が複数個積
層されて構成される燃料電池において、該セパレータ６
の外周端に位置して反応ガスの外部への流出を防止する
ためにシールするウエットシール部７の内側にあって、
電極板２，３の端部及び集電板４の端部とを支持する該
集電板端部支持部８を構成する部材が、該ウエットシー
ル部７を構成する部材から分離独立体として形成され、
ウエットシール部７には電解質板１の端部が接触し、分
離独立体としての集電板端部支持部８を構成する本実施
例の支持枠１３に集電板４の端部が接触するように構成
され、かつ、集電部９を構成する集電用波板１０と、集
電板端部支持部８を構成する分離独立体としての支持枠
１３は、 スタック運転状態における 該集電用波板１０
及び該支持枠１３の弾性変形量が５〜１００μｍの範囲
にあって、かつ、両者の変形量が同程度となるような柔
軟性を有する部材(即ち、材料または構造)から構成され
ている点にある。

【００１６】以下、さらに本発明の内容について詳説す
る。まず、燃料電池のスタック運転状態において印加す
る締付面圧について説明する。一般に、スタックの締付
面圧が、０.１MPaより小さい場合、電解質板１と両電極
板２，３間に良好なる接触状態が得られず接触抵抗が大
きくなり、高い電池性能が得られず、また、ウエットシ
ール部７において完全にシールされずに、ガスがリーク
する虞れもある。一方、締付面圧が、０．５MPaよりも
大きくなると、電解質板１と電極板２,３が圧縮変形
し、電気化学的反応が起きる界面の反応面積が小さくな
り、電池としての性能が悪くなる。 従って、通常、ス
タックの締付面圧は、０.１MPa〜０.５MPaの範囲に設定
されている。

【００１７】次に、スタック運転状態での集電部９、即
ち集電用波板１０の弾性変形量について説明する。集電
用波板１０の弾性変形量が１００μｍ以上であると、電
極板２，３が支えられず、反応ガス流路５が押しつぶさ
れて流路断面積が小さくなり、反応ガスが電極板全体に
均一に分散しなくなる。その結果、反応ガスのガス出入
口濃度差が生じネルンストロスが大きくなる。また、電
解質板１と電極板２，３間に十分な面圧が得られなくな
り、接触抵抗が大きくなる。上記ネルンストロスの増大
あるいは接触抵抗の増加により、高性能なる電池が得ら
れない。そのために、弾性変形量は１００μｍ以下に押
さえられる必要がある。

【００１８】一方、従来技術で述べたように、本発明は
セパレータ６の中央部に弾性変形量の大きい集電用波板
１０を設ける発明の１つである。したがって、弾性変形
量が５μｍ以下に小さくなると、部材の寸法誤差や熱変
形の影響が吸収されず、本発明の目的に反することにな
る。さらに、電極板２，３の端部等に異常面圧が掛から
ないようにするためには、所定の締付面圧で圧縮された
時の集電用波板１０の高さが、支持枠１３の高さとほぼ
等しくなっていれば良い。そのためには、支持枠１３の
高さをその時の締付面圧に応じて、集電用波板１０の高
さと同じになるように調整すれば良い。

【００１９】すなわち、集電用波板１０と支持枠１３と
の弾性変形量が、同程度の変形量となるように、 集電
用波板１０の部材(材料または構造)及び支持枠１３の部
材(材料または構造)を選定するものである。以上の説明
から、支持枠１３ならびに集電用波板１０は、スタック
運転状態において、それらの弾性変形量が、同程度の量
であり、かつ、５〜１００μｍの範囲に限定されるよう
に構成されることが望ましいと言える。

【００２０】また、積層スタック運転中に、時には締付
面圧を変えることがあるが、支持枠１３の弾性変形量が
小さい場合、締付面圧に応じてその高さを変えることは
できない。そのため、支持枠１３に弾性変形量の大きい
材料(弾性体)を採用することが望ましいと言える。すな
わち、支持枠１３の弾性変形量が集電用波板１０の弾性
変形量に比べて小さすぎると、集電用波板１０だけが圧
縮され、支持枠１３(集電板端部支持部８)は集電用波板
１０(集電部９)と同程度には圧縮されず、前述のように
異常面圧が発生する。逆に、支持枠１３の弾性変形量が
集電用波板１０の弾性変形量に比べて大きすぎると、電
極板端部と集電板端部の垂れ込みが防止されず、それら
の部材端部と電解質板１間の接触状態に問題が生じてく
る。

【００２１】以上により、セパレータ６の中央部の集電
部９に弾性変形量の大きい集電用波板１０を配設するな
らば、任意の締付力に対して均一な面圧を得るために、
支持枠１３も、集電部９の弾性変形量と同程度(ほぼ同
等)の弾性変形量となる柔軟性を有する部材(材料または
構造)を配設する構成になる。

【００２２】ところで、表１に示すように、支持枠１３
としての集電板端部支持部８と、集電用波板１０として
の集電部９の弾性変形量の大きさにより、電極板端部と
中央部の面圧差、電解質板，電極板端部，集電板端部の
接触性、初期セル電圧、初期内部抵抗は異なる。すなわ
ち、支持枠１３の弾性変形量が小さく、集電用波板１０
の弾性変形量が大きい場合（表１，No.１）は、 支持枠
１３と集電用波板１０の境界付近における面圧は、局所
的に大きくなるため、電解質板１と電極板２，３と集電
板４との接触面に均一な面圧が得られず、電流分布は不
均一になり、内部抵抗も大きくなり、高性能な電池は得
られない。

【００２３】また、支持枠１３の弾性変形量が大きく、
集電用波板１０の弾性変形量が小さい場合(No.２)は、
境界付近における異常面圧はなくなるが、 電解質板と
電極板端部及び集電板端部間の接触性が悪くなる。この
結果、接触抵抗値は大きくなり高性能は望めない。しか
しながら、支持枠１３と集電用波板１０の弾性変形量が
同程度に大きい場合(No.３)は、 部材接触面間には均一
なる面圧が掛かり、各部材の端部における接触性も確保
されるため、高性能な電池を得ることができる。

【００２４】

【表１】

【００２５】次に、締付面圧印加時に、支持枠１３がず
れないようにする他の実施例について説明する。図３
は、本発明による他の実施例の燃料電池の構成を示す部
分断面図である。図に示す燃料電池の単位電池は、カソ
ード３，集電板４，セパレータ６から構成され、本実施
例のセパレータ６は、支持枠１３と、一体型仕切板１４
と、集電用波板１０とから構成される。本実施例の場
合、図１に示した実施例のシール枠１１と仕切板１２と
が一体となり、一体型仕切板１４を形成している。

【００２６】そして、図３の実施例においても、支持枠
１３が分離独立体として新設され、ウエットシール部７
を有する一体型仕切板１４と集電板端部支持部８を有す
る支持枠１３とが、即ち、ウエットシール部７と集電板
端部支持部８とが分離されている。かつ、支持枠１３の
強度が集電用波板１０の強度と同程度になるように支持
枠１３の材料が選定され、支持枠１３の弾性変形量と集
電用波板１０の弾性変形量とが同程度に大きくなるよう
構成される。従って、本実施例の場合も図１の実施例と
同様な効果が得られる。

【００２７】一方、図３に示すように集電用波板１０の
端部を支持枠１３に沿わせて曲げ、集電用波板１０に曲
がり部１０ａを設ける。この曲がり部１０ａは、締付面
圧が掛かり集電用波板１０が最大限横に広がったときに
曲がり部１０ａの垂直面(側面)が初めて支持枠１３に
触れ、 該支持枠１３が該垂直面に沿って変形すること
によって、締付面圧印加時に支持枠１３が垂直に弾性変
形するのを支えるものである。さらに、締付面圧による
集電用波板１０や支持枠１３の弾性変形が妨げられない
ように、曲がり部１０ａと支持枠１３との接触面間に若
干の隙間Ｇを設けること、あるいは、曲がり部１０ａの
高さを締付面圧印加時に曲がり部１０ａの先端が集電板
４に触れない程度にすることなどが望まれる。

【００２８】次に、実施した確認試験の結果を示し本発
明の内容をより具体的に説明する。図１および図３のセ
パレータ構造を採用した単位セルを用いて、面圧試験お
よび性能試験を行った。表２にその試験結果を示す。な
お、本確認試験においては両構造の支持枠１３及び集電
用波板１０ともに、締付面圧が０．３MPaの時に、２４
μｍの弾性変形量を有する部材を用いた。図１または図
３のどちらの構造を用いても大差がないという試験結果
が得られた。どちらの構造においても、面圧差は０.２M
Pa以下と小さく、均一な面圧を得ることができた。ま
た、初期内部抵抗が小さく、８００mV以上の初期セル電
圧を得た。

【００２９】

【表２】

【００３０】以上のように、本発明によるセパレータ構
造を用いれば、電解質板１、電極板２，３、集電板４及
びセパレータ６間の接触面に均一な面圧が得られ、ま
た、高性能な燃料電池が得られることが確認された。な
お、上記は外部マニホールド方式の溶融炭酸塩型燃料電
池での実施例であったが、内部マニホールド方式の溶融
炭酸塩型燃料電池に対しても、外部マニホールド方式と
同様に本発明を適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、セパレータ６としての
集電用波板１０の弾性変形量が大きい場合であっても、
締付面圧に応じてセパレータ６としての支持枠１３が集
電用波板１０とほぼ同じ高さで変形し、常に集電用波板
１０と集電板４の接触面が水平に保たれるので、電解質
板１、電極板２，３、集電板４及びセパレータ６間の接
触面に均一な面圧が掛かり、各部材間に常に均一で良好
な接触状態が得られる。これにより、高性能で、長寿命
の燃料電池が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の燃料電池(単位電池)の
構成を示す部分断面図である。

【図２】図１に示した燃料電池(単位電池)の構成を示す
斜視図である。

【図３】本発明による他の実施例の燃料電池の構成を示
す部分断面図である。

【図４】従来の燃料電池の構成を示す分解斜視図であ
る。

【図５】従来の他の燃料電池(単位電池)の構成を示す部
分断面図である。

【図６】図５の燃料電池の弾性変形量が大きい場合を示
す部分断面図である。

【符号の説明】

１…電解質板、２…アノード(電極板)、３…カソード
(電極板)、４…集電板、５…反応ガス流路、６…セパレ
ータ、７…ウエットシール部、８…集電板端部支持部、
９…集電部、１０…集電用波板、１０ａ…曲がり部、１
１…シール枠、１２…仕切板、１３…支持枠、１４…一
体型仕切板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両側から電解質板を挟む一対の電極板と、
   該両電極板の外側にそれぞれ積層される一対の集電板
   と、集電板端部支持部及び集電部を有し、該集電板端部
   支持部及び集電部で前記両集電板に接し、当該両集電板
   の外側にそれぞれ載置される一対のセパレータとを含む
   単位電池を積層してなる燃料電池において、 前記セパレータは、スタック運転状態において前記集電
   板端部支持部及び集電部に締付面圧が印加されたときの
   当該集電板端部支持部を構成する部材の弾性変形量と当
   該集電部を構成する部材の弾性変形量とがほぼ同等とな
   るように構成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１において、前記両部材の弾性変形
   量は５〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする燃料
   電池。