JPWO2008149554A1 - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

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Abstract

積層された複数の単電池モジュールが一対の端板を介して複数の締結部材で挟み付けて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、締結部材と端板との間に介在して配置された複数の第1弾性部材と、端板と燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備え、各単電池モジュールにおいて膜電極接合体の電極部に相当する端板表面に、それぞれの第2弾性部材が配置され、各単電池モジュールにおいて膜電極接合体の周縁部と一対のセパレータ板の間に配置されたシール部材の配置領域に相当する端板表面に、それぞれの第1弾性部材を配置する。

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関する。
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。このように高分子電解質膜と電極(ガス拡散層を含む)とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)と呼ぶ。
また、MEAの両側には、MEAを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板においてMEAと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。このようなガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。なお、このように、MEAが一対のセパレータ板により挟み込まれた構造体を、単電池モジュールと言う。
セパレータ板とMEAとの間に形成されるガス流路への反応ガスの供給及びガス流路からの反応ガス、生成水の排出は、セパレータ板の縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこのマニホールド孔に連通して、マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。
また、ガス流路に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部へリークしたり、2種類のガスが互いに混合したりしないように、MEAにおける電極が形成されている部分、すなわち発電領域の外周を囲むように一対のセパレータ板の間にはシール部材としてガスシール材やガスケットが配置される。これらのガスシール材やガスケットは、マニホールド孔の周囲のシールをも行う。
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのMEA、セパレータ板及び冷却部を交互に重ねていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ロッド(ボルト)で両端から固定するのが一般的な積層電池(燃料電池スタック)の構造である。
このような積層電池では、冷却部を含む複数の単電池モジュールを一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配置し、それぞれの端板間を締結ロッド(ボルト)で固定して、それぞれの単電池モジュールを締め付けるような締め付け方式が採用されている。このような締め付け方式として、機械的強度の観点から、端板や締結ロッドには通常、ステンレス鋼などの金属材料を用い、これらの端板や締結ロッドと、積層電池との間を絶縁板により電気的に絶縁し、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造が採用されている。締結ロッドについては、セパレータ板の縁部に形成された貫通孔を通す方法や、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が一般的である。
このような締め付け方式が採用されている積層電池においては、単電池モジュールを面内(積層方向に直交する平面内)で均一な締結力で締め付けられることが重要とされている。この均一な締結力によって、空気、水素、冷却水等の漏れを防止し、また単電池モジュールの破損を防止し、さらにそれによって発電効率を上げたり、電池寿命を延長したりすることが可能となるからである。このような締め付け方式における締結力の均一化の観点から、例えば特許文献1では、端板の外側に配したX型の締付板との間にバネを挟み、バネの弾力性を周囲に配置したバネより中央に配置したバネを大きくすることで、締結力を均一化する方法が提案されている。また、特許文献2では、端板への加圧部を点接触にすることで締結力を均一にする方法が提案されている。また、その他、例えば、特許文献3〜10に開示されているような様々な提案がなされている。
特開昭62−271364号公報 特開平9−259916号公報 特開2007−113707号公報 特開昭61−248368号公報 特開平09−270267号公報 米国特許第4997728号明細書 米国特許第6258475号明細書 米国特許出願公開第2005/0277012号明細書 米国特許第4973531号明細書 米国特許出願公開第2007/0042250号明細書
ところで、一般的に、セパレータ板の間に配置するMEAとガスケットはその剛性が異なる。一般的には、ガスケットの剛性は、MEAの厚み方向における剛性よりも低い。そのため、端板で締結のための荷重を付加すると、この剛性の違いによりMEAに比してガスケットが大きく変形され、MEA及びガスケットとセパレータ板との間において、互いの接触圧力にバラツキが生じる。このような接触圧力のバラツキは接触抵抗のバラツキとなり、燃料電池における発電性能を低下させる要因となるという問題がある。このような接触抵抗のバラツキによる発電性能の低下が生じることを抑制するために、締結力として必要以上に荷重を付加するような対策が採用される場合もあり、このような場合にあっては、MEAやガスケットの機械的強度の低下が促進されて、燃料電池の寿命が短くなるという問題がある。特許文献1および2のような方式においても、MEAとセパレータ板との間に、接触圧力のバラツキが生じ、同様な問題が発生する。
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、高分子電解質型燃料電池において、膜電極接合体とセパレータ板との間に接触圧力のバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ板間に配置されるシール部材に適正な締結力を付加する締結構造が用いられた高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、膜電極接合体と、上記膜電極接合体を挟む一対のセパレータ板と、上記膜電極接合体の周縁部と上記一対のセパレータ板との間に配置されたシール部材とを有する単電池モジュールが積層され、上記積層された単電池モジュールの両端に一対の端板が配置されるとともに、上記一対の端板を複数の締結部材で挟み付けて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
上記それぞれの締結部材と上記端板との間に介在して配置された第1弾性部材と、
上記端板と上記燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備え、
上記各単電池モジュールにおける上記膜電極接合体の電極部に相当する上記端板表面の第2弾性部材配置領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置されている、高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第2態様によれば、上記各単電池モジュールにおける上記シール部材の配置領域に相当する上記端板表面に、上記第1弾性部材が配置されている、第1態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第3態様によれば、上記端板の上記燃料電池スタック端部側の表面に凹部が形成され、
上記凹部の内底面を上記第2弾性部材配置領域として、上記内底面と上記燃料電池スタック端部との間に上記複数の第2弾性部材が配置され、
上記端板の表面における上記凹部の周囲の縁部が、上記燃料電池スタック端部と接触している、第2態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第4態様によれば、上記それぞれのセパレータ板及び端板は四角形形状を有し、
上記端板において、上記四角形形状の4辺におけるそれぞれの中点位置近傍に上記第1弾性部材が配置され、
上記第2弾性部材配置領域において、4つの上記第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形状の領域より内側の領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置される、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第5態様によれば、上記4つの第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形形状の領域の中心と上記第1弾性部材を結ぶ線分上において、上記線分の中点よりも上記中心側の上記第2弾性部材配置領域における位置に上記第2弾性部材が配置される、第4態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第6態様によれば、上記それぞれのセパレータ板及び端板は四角形形状を有し、
上記端板において、上記四角形形状の4隅それぞれに上記第1弾性部材が配置され、
4つの上記第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形形状の領域の中心と上記第1弾性部材を結ぶ線分上において、上記線分の中点よりも上記中心側の上記第2弾性部材配置領域における位置に上記第2弾性部材が配置される、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第7態様によれば、上記端板における上記第2弾性部材配置領域と上記燃料電池スタック端部との間に、集電板が配置されている、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第8態様によれば、上記単電池モジュールの積層方向において、上記シール部材は上記膜電極接合体の電極部よりもその剛性が低い部材であり、
上記それぞれの第1弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重が、上記それぞれの第2弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重よりも小さくなるように、上記それぞれの第1弾性部材および第2弾性部材が配置される、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第9態様によれば、上記締結部材は、上記それぞれの端板及びセパレータ板を貫通するように締結する締結用ボルトであり、上記第1弾性部材及び第2弾性部材はバネ部材である、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明によれば、高分子電解質型燃料電池において、それぞれの締結部材と端板との間に介在して配置された複数の第1弾性部材と、端板と燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備えさせ、さらに、各単電池モジュールにおいて膜電極接合体の電極部に相当する端板表面の第2弾性部材配置領域に、それぞれの第2弾性部材を配置していることにより、電極部に付加される荷重(締結力)を、電極部以外(例えば、シール部材)に付加される荷重とは別に制御することが可能となる。
さらに、各単電池モジュールにおいて膜電極接合体の電極部を囲むように膜電極接合体の周縁部と一対のセパレータ板との間に配置されたシール部材の配置領域に相当する端板表面の第1弾性部材配置領域に、それぞれの第1弾性部材を配置していることにより、シール部材配置領域に付加される荷重を、電極部に付加される荷重とは別に制御することが可能となる。
すなわち、シール部材配置領域においては、シール部材によるシール機能を達成するために必要な荷重を、第1弾性部材の弾性力でもって締結部材及び端板を介して燃料電池スタックに付与することができるとともに、電極部においては、膜電極接合体とセパレータ板との発電に求められる適正な接触荷重を、そのバラツキを抑制しながら、第2弾性部材の弾性力でもって燃料電池スタックに付与することができる。
従って、高分子電解質型燃料電池において、膜電極接合体とセパレータ板との間に接触圧力のバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ板間に配置されるシール部材に適正な締結力を付加する締結構造が用いられた高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図1は、本発明の一の実施形態にかかる燃料電池の分解斜視図であり、 図2は、図1の燃料電池における単電池モジュールの部分模式断面図であり、 図3Aは、上記実施形態における燃料電池の締結構造を示す部分模式断面図であり、 図3Bは、図3Aの締結構造を分解した状態を示す部分模式断面図であり、 図4Aは、本発明の実施例1の締結構造を示す模式平面図であり、 図4Bは、実施例1の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフであり、 図5Aは、本発明の比較例の締結構造を示す模式平面図であり、 図5Bは、比較例の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフであり、 図6Aは、本発明の実施例2の締結構造を示す模式平面図であり、 図6Bは、実施例2の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフであり、 図7Aは、本発明の実施例3の締結構造を示す模式平面図であり、 図7Bは、実施例3の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフであり、 図8は、実施例1から3及び比較例の締結構造におけるセパレータ板のたわみ量を示すグラフであり、 図9は、実施例1及び比較例の燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフであり、 図10は、実施例1及び比較例1の電圧耐久特性を示すグラフである。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1実施形態)
本発明の一実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池101の構造を、一部分解した状態にて示す模式斜視図を図1に示す。図1に示すように、燃料電池101は、複数の単電池モジュールを積層させて構成されている。また、図1の燃料電池101における単電池モジュールにおける周縁部の部分模式断面図(II−II線断面図)を図2に示す。
図1に示すように、燃料電池101は、燃料電池における発電装置の単位構成である単電池モジュール11を複数台積層した状態にて、両端に一対の集電板12、端板13を配置して挟み込み、ボルト孔を貫通させた締結ボルト14とナット15(締結部材の一例)にて締結することにより構成されている。なお、このように、複数の単電池モジュール11が積層されて締結されたものを、燃料電池スタック10と呼んでいる。なお、本実施形態では、例えば単電池モジュール(「セル」とも言う。)が60台積層されて、燃料電池スタック10が構成されている。
次に、単電池モジュール11の具体的な構成について説明する。図1及び図2に示すように、単電池モジュール11は、MEA1の両端に配置された一対の導電性のセパレータ板、具体的にはアノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bにより、MEA1を挟んで構成されている。MEA1は、高分子電解質膜2と、この高分子電解質膜2の両面に形成された一対の電極、すなわちアノード電極3A及びカソード電極3Bとを備えて構成される。これらの電極3A及び3Bは、高分子電解質膜2の表面に形成される触媒層と、この触媒層の外表面に配置されるガス拡散層とにより構成される。また、アノード側セパレータ板4AのMEA1側の表面には、燃料ガス流路を形成するための燃料ガス流路溝5が形成されており、カソード側セパレータ板4BのMEA1側の表面には、酸化剤ガス流路を形成するための酸化剤ガス流路溝6が形成されている。
MEA1におけるそれぞれの電極(電極部)3A及び3Bの最も外側に配置されているガス拡散層が、それぞれのセパレータ板4A及び4Bと当接し、アノード側セパレータ板4Aの燃料ガス流路溝5がガス拡散層により覆われて燃料ガス流路が形成されるとともに、カソード側セパレータ板4Bの酸化剤ガス流路溝6がガス拡散層により覆われて酸化剤ガス流路が形成される。このように形成された燃料ガス流路に燃料ガスが流通されると、流通される燃料ガスにアノード電極3Aのガス拡散層が暴露されることとなるとともに、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが流通されると、流通される酸化剤ガスにカソード電極3Bのガス拡散層が暴露されることとなる。その結果、それぞれの電極3A及び3Bにおいて、所定の電気化学反応が生じ、単電池モジュール11における発電が行われる。積層されたそれぞれの単電池モジュール11においては、隣接した単電池モジュール11におけるMEA1同士が互いに電気的に直列に接続される、あるいは電気的に並列に接続されて、燃料電池101全体として発電された電力を取り出すことが可能に構成されている。
また、単電池モジュール11おけるそれぞれのセパレータ板4A及び4Bの周縁部には、燃料ガス流路溝5及び酸化剤ガス流路溝6に個別に連通する貫通孔である燃料ガスマニホールド孔7A及び酸化剤ガスマニホールド孔7Bが形成されている。単電池モジュール11が積層された状態では、これらのマニホールド孔7A、7Bが積層されて結合し、連通された流体の通路となる燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドが形成される。
さらに、それぞれのセパレータ板4A及び4Bの周縁部には、燃料ガスマニホールド孔7A及び酸化剤ガスマニホールド孔7Bと同様に、水が流通する二対のマニホールドを形成する水マニホールド孔7Cが形成されている。同様に単電池モジュール11が積層された状態では、これらのマニホールド孔7Cが積層されて結合し、連通された流体の通路となる水マニホールドが形成される。
また、図2に示すように、MEA1の高分子電解質膜2の周縁部には、電極3A及び3Bが形成されておらず、この部分は、シール機能を有するガスケット部(シール部材の一例である)8として形成されている。すなわち、MEA1の周縁部の内側に電極3Aおよび3Bが配置されている。ガスケット部8は、高分子電解質膜2の周縁部を挟み込むように弾性体により形成されており、図2に示すように、単電池モジュール11において、一対のセパレータ板4A及び4Bに挟まれた状態にて配置される。このような状態において、ガスケット部8は、MEA1の電極3A及び3Bに供給される燃料ガスや酸化剤ガスが単電池モジュール11の外部へリークしないように、さらに2種類のガスが混合しないように、シールを行う。さらに、ガスケット部8には、それぞれのマニホールド孔7A〜7Cに応じた位置に孔が形成されており、それぞれのセパレータ板4A及び4Bに挟まれた状態で、マニホールド孔の周囲をシールする。なお、本実施形態においては、ガスケット部8は、MEA1の一部として一体的に形成されている場合を例として説明する。ただし、本実施形態の燃料電池101はこのような場合についてのみ限定されるものではなく、このような場合に代えて例えばガスケット8がMEA1と別体として形成されるような場合であってもよい。また、本実施形態においては、MEA1において、ガスケット部8が形成されている領域をガスケット配置領域(シール部材配置領域の一例である)R1とし、電極3A及び3Bが形成されている領域を電極配置領域(電極部が配置された領域あるいは発電領域の一例である)R2とする。
アノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bは、平板状であって、MEA1と接触する側の面、すなわち単電池モジュール11における内側の面は、MEA1における電極配置領域R2とガスケット配置領域R1の表面形状に応じた形状を有するように形成されている。図2の模式図では、MEA1の表面形状及びそれに接するセパレータ板4A及び4Bの表面形状が平坦であるように示しているが、実際には、特にガスケット配置領域R1において、ガスケット部8の機能を達成するために、MEA1の表面が隆起するように形成されている。また、本実施形態では、アノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bには、例えば東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン(厚さ:3mm)を用いている。また、セパレータ板4A及び4Bでは、各種マニホールド孔、ボルト孔がセパレータ板4A及び4Bの縁部においてその厚み方向に貫通するように形成されている。また、それぞれのセパレータ板4A及び4Bの背面には水流路溝9A及び9Bが形成されている。セパレータ板4A及び4Bにおいて、各種マニホールド孔、ボルト孔、燃料ガス流路溝、酸化剤ガス流路溝、水流路溝等は、切削加工あるいは成形加工により形成される。
また、水流路溝9A及び9Bは、二対の水マニホールド孔7C間を結ぶようにして形成される。つまり、水が供給側のマニホールドから、水流路溝9A及び9Bに分岐して供給され、排出側のマニホールドに流通するように形成されている。このような構造が採用されていることにより、水の伝熱能力を利用して単電池モジュール11を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスと同様にして、セパレータ板4A、4B及びMEA1の周縁部に水マニホールド孔を形成せずに、冷却水給排路をセパレータ板の外部に形成する外部マニホールド構造が採用されるような場合であってもよい。さらには、セパレータ板の背面に水流路溝を形成せずに、隣接する単電池モジュール11の間に、冷却水が循環する冷却ユニットを挿入して、単電池モジュール11を積層するような構成が採用されるような場合であってもよい。
また、図2に示すように、アノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bの背面には、各種マニホールド孔の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキン等の一般的なシール部材であるパッキン16が配置されている。これによって、隣接する単電池モジュール11の間において、各種マニホールド孔のモジュール間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び水の漏出が防止される。
集電板12は、燃料電池スタック(単電池モジュール積層体)10の外側に配置され、発電された電気を効率よく集電できるように、銅板に金メッキが施したものを使用する。なお、集電板12には、その他電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス、アルミ等を使用しても良い。また、表面処理はスズメッキ、ニッケルメッキ等を施してもよい。集電板12の外側には通常、電気を絶縁するための絶縁板が配置されるが、本実施形態では、電気絶縁性のある材料を用いた端板13でその役割も兼用させている。ここで端板13には、例えばポリフェニレンサルファイド製の樹脂を用いて、射出成形で製作したものが使用されている。なお、端板13には端板13と一体となる配管(図示せず)が備えられており、この配管は、各種マニホールドに連通して流体の供給又は排出を行うように設けられている。また、本実施形態では、「燃料電池スタック」とは、燃料電池スタック10自体を意味する場合の他に、燃料電池スタック10の外側に集電板12が配置されるような構成(すなわち、図1に示すような構成)では、それぞれの集電板12をも含めて燃料電池スタックを意味する場合も含む。したがって、図1に示すような構成では、「燃料電池スタック端部」とは、それぞれの集電板12の端部を意味する。
次に、本実施形態の燃料電池101において、単電池モジュール11の積層体である燃料電池スタック10を一対の端板13、並びに締結ボルト14及びナット15により締結した際に、MEA1とセパレータ板4A、4Bとの間に接触圧力のバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ間に配置されるガスケット部8に適正な締結力を付加する締結構造を実現するための構成について説明する。
図1に示すように、端板13の外側の隅部分には、第1弾性部材の一例である4個の外側バネ21が配置されている。これら4個の外側バネ21を介すようにして、締結ボルト14及びナットにより、一対の端板13の間に挟まれた燃料電池スタック10が締結されており、外側バネ21が圧縮されることにより生じる弾性力を、端板13を介してそれぞれの単電池モジュール11に締結荷重として付加している。また、四角形形状を有する端板13の内側表面には、四角形枠状にその縁部を残すようにして凹部23が形成されている。凹部23の内底面23aは平坦状に形成されており、この内底面23aには、第2弾性部材の一例である25個の内側バネ22が、均等な間隔で配置されている。それぞれの内側バネ22は、集電板12を介して凹部23内にて圧縮されることにより、その弾性力をそれぞれの単電池モジュール11に付加している。
ここで、本実施形態の燃料電池101における締結構造を一方の端板13付近において示す模式図を図3Aに示すとともに、その締結構造の分解図を図3Bに示す。
図3A及び図3Bに示すように、端板13における燃料電池スタック10側の面(以降、「内側表面」とする。)に形成された凹部23には、25個の内側バネ22が均等な間隔にて配置されている。これらの内側バネ22は、スタック10の端部に位置される単電池モジュール11のセパレータ、例えばアノード側セパレータ板4Aと、端板13との間に配置された集電板12と、端板13の凹部23の内底面23aとの間に挟まれるようにして配置されている。この端板13の凹部23は、その配置(内側バネ配置領域)が、単電池モジュール11における電極配置領域R2と略合致するように形成されている。そのため、端板13が締結された状態において、それぞれの内側バネ22が圧縮されることにより生じる弾性力が、それぞれの単電池モジュール11における電極配置領域R2に積極的に付加されるような構造が実現されている。
また、端板13の内側表面における凹部23の周囲に形成される四角形枠状の縁部(以降、「枠部24」とする。)は、集電板12の表面に直接的に当接するように配置される。すなわち、端板13の枠部24は、内側バネ22や外側バネ21等の弾性部材を介在させることなく、集電板12の表面に直接的に接触して配置(すなわち、「燃料電池スタック端部」に直接接触して配置)されている。端板13の枠部24は、その配置(外側バネ配置領域)が、単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R1と略合致するように形成されている。さらに、端板13においては、この枠部24の隅部に、締結ボルト14の貫通用の孔が形成されており、この孔がそれぞれの単電池モジュール11に形成されているボルト貫通用孔と合致するように配置されている。端板13の外側表面においては、このボルト貫通用孔の形成位置に外側バネ21が配置されており、この外側バネ21の中央部を貫通し、さらにそれぞれのボルト貫通用孔を貫通させるようにして、それぞれの締結ボルト14が配置されている。このような構成において、締結ボルト14をナット15と螺合させて締結を行うと、締結ボルト14の頭部と端板13の外側表面との間で外側バネ21が圧縮され、これにより生じる弾性力が、端板13の枠部24を通じてそれぞれの単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R2に積極的に付加されるような構造が実現されている。
すなわち、本実施形態の燃料電池101における締結構造においては、単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R1に積極的にその弾性力による締結荷重を付加する外側バネ21と、電極配置領域R2に積極的にその弾性力による締結荷重を付加する内側バネ22とを備えさせることにより、MEA1の電極3A、3Bとセパレータ4A、4Bとの間に効率的な発電に必要な接触圧力を付与するとともに、その接触力の位置によりバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ4A及び4Bの間に配置されるガスケット部8に上記接触圧力とは異なる適正な締結荷重を付加する締結構造を実現することができる。
また、端板13において、内側表面に凹部23と枠部24が形成され、外側バネ21により枠部24が集電板12を介してそれぞれの単電池モジュール11を締結するとともに、このような締結状態において、端板13の凹部23内に配置された内側バネ22が集電板12との間で挟まれるようにして圧縮状態とされて、端板13を介在させることなく、集電板12を介してそれぞれの単電池モジュール11にその弾性力を付加するような構成が採用されていることにより、2種類のバネ21、22が互いに独立してその弾性力による荷重付加を実現することができる。なお、このような締結構造における付加荷重の設定は、それぞれのバネ21、22のバネ定数等の仕様、外側バネ21については、締結ボルト14の締結による外側バネ21の圧縮量、並びに内側バネ22については、端板13の凹部23の深さ寸法により行われる。
本第1実施形態の燃料電池101の締結構造においては、例えば、単電池モジュール11のガスケット配置領域R1に単位面積あたりの荷重として1kgf/cmの荷重を付加し、電極配置領域R2に4kgf/cmの荷重(付加荷重を電極配置領域R2全体の面積で除した値)を付加することができる。従って、単電池モジュール11の外周縁であるガスケット部8が配置されていて剛性が小さい領域には比較的小さい荷重で締結を行い、内側のMEA1の電極3A、3Bが配置されていて剛性が強い領域は比較的強い荷重で締結を行うことができる。その結果として、それぞれのセパレータ4A、4Bの変形を抑制し、MEA1の電極配置領域R2に対して均等に荷重を付加することができる。また、本実施形態によれば、電極配置領域R2及びガスケット配置領域R1に対して、内側バネ22及び外側バネ21により略均等な荷重を付加する構成が採用されているため、例えば、MEA1が熱的な影響により部分的に膨張するような形態変化が生じても、バネによりその変化を吸収することができ、形態変化に対応することができる。
なお、上述のような端板13の外側及び内側のバネの配置構成は、燃料電池スタック10において、一対の端板13の少なくとも一方に設けられていれば、その効果を得ることができる。ただし、一対の端板13の両方に設けられていることがより好ましい。
また、上記実施形態では、それぞれの外側バネ21が、単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R1に相当する端板13上の領域(すなわち、外側バネ配置領域)に配置されているような場合を例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、端板13の外側表面上において、外側バネ配置領域に関係なく、外側バネ21の配置が決定されるような場合であってもよい。ただし、このような配置構成を採用する場合には、端板13の枠部24がガスケット配置領域R1と略合致するように形成されていることが必要となる。
また、上記実施形態では、締結部材の一例として締結ボルト14およびナット15が用いられるような場合について説明したが、このような場合に代えて、締結部材として、ワイヤやスチールベルトなどが用いられるような場合であってもよい。
(実施例について)
本発明の端板と2種類のバネを用いた締結構造においては、外側バネと内側バネの配置を工夫することにより、荷重分布の均一性の効果も大きく異なる。ここで、このような外側バネと内側バネの配置関係の実施例(変形例)について言及するとともに、その荷重分布のシミュレーション結果について説明する。
(共通する構成)
まず、以降に説明するそれぞれの実施例に共通する単電池モジュール11の具体的な形成材料及び製造方法について説明する。アセチレンブラック系カーボン粉末(電気化学株式会社製DENKABLACKFX-35)、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持させたものをカソードの触媒とした。また、アセチレンブラック系カーボン粉末(電気化学株式会社製DENKABLACKFX-35)に、平均粒径約30Åの白金−ルテニウム合金(Pt:Ru=1:1(重量比))粒子を25重量%担持させたものをアノードの触媒とした。これらの触媒粉末のイソプロパノール分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液(旭硝子株式会社製FlemionFSS-1)を混合し、ペースト状にした。その後、これらのペーストを原料としスクリーン印刷法を用いて、それぞれ厚み250μmのカーボン不織布(東レ工業株式会社製TGP-H-090)の一方の面に電極触媒層を形成した。このようにして形成された電極の触媒層に含まれる白金量は0.3mg/cm、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cmとした。
これらの電極は、触媒材料以外の構成はカソード・アノード共に同一構成である。これらの電極を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜(米国デュポン社製NAFION122)の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレス加工によって接合した。また、電極の外周に露出する高分子電解質膜の周縁部は、厚さ250μmのフッ素系ゴム(旭硝子株式会社製アフラス(登録商標))のシートからなるガスケットで挟み、ホットプレス加工によって接合して一体化させた。こうして、電解質膜電極接合体(MEA)を作製した。プロトン伝導性高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を30μmの厚みに薄膜化したものを用いた。
また、厚さ3mmの等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路及びマニホールド孔を形成することにより、導電性セパレータを形成した。ガス流路の溝幅は2mm、深さは1mm、流路間の幅は1mmとし、それぞれ2本パスの流路構成とした。冷却水の流路は溝の深さを0.5mmにした他はガス流路と同様である。この電池の定格運転条件は、燃料利用率75%、酸素利用率40%、電流密度0.3A/cm2である。
以上のようなカソード側セパレータとアノード側セパレータとによりMEAを挟んだ単電池モジュール(セル)を50セル積層した。隣接するセル間には、両セパレータ板により冷却水の流路が形成される。このセル積層体を、表面に金メッキした5mmの銅製集電板とポリフェニレンサルファイド製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。
(実施例1)
ここで、図1の上記実施形態の締結構造を実施例1として、その端板13における外側バネ21及び内側バネ22の配置関係を図4Aに示す。図4Aに示すように、実施例1の締結構造では、端板13と集電板12の間には図1及び図3Aにおいても示したように、凹部23内に25個の内側バネ22を配置した。内側バネ22としては、バネ定数7kgf/mmのバネを用い、自由長より4.8mm縮めることで840kgfの荷重を発生させた。また、端板13の外側表面における4つの隅部それぞれには、外側バネ21として、バネ定数50kgf/mmのバネを用い、4本の締結ボルト14で自由長から5mm締め込み1000kgfの荷重を発生させてナット15で締結を行った。
また、MEAにおける電極配置領域の圧力分布を確かめるために、構造解析ソフト(ABAQUS Version6.4)を用いて、1/4モデルでシミュレーションを行った。なお、1/4モデルとは、図4Aに示す点線にて囲まれた領域Qに相当するモデルである。この実施例1の締結構造におけるMEAの電極配置領域に生じる接触圧力のシミュレーション計算結果を図4Bのグラフに示す。図4Bのグラフは、領域Qに相当する1/4モデルにおいて、接触圧力の均一性の度合い、あるいはバラツキの度合いを示しており、図示される等圧線の本数が多い場合や間隔が狭い場合には、その圧力分布にバラツキが大きいことを示し、その逆の場合には圧力分布の均一性が高いことを示すグラフである。図4Bに示すグラフからは、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が上昇傾向にあるものの、その上昇が緩やかなものに抑えられている。また、このシミュレーション結果を確認するために、実施例1の単電池モジュールにおいて、MEAとセパレータとの間に感圧紙(富士フイルム製)を挟み込み、その接触圧力の確認を行ったところ、シミュレーションと同様の結果が得られた。
(比較例)
次に、実施例1の締結構造に対する比較例として、端板13の外側表面の隅部に4個の外側バネ21を配置し、内側バネ22が配置されない構成を図5Aに示す。また、このような構成における1/4モデルのシミュレーション結果を図5Bに示す。なお、この比較例では、セル積層体は共通のものを使用し、このセル積層体を、表面に金メッキした5mmの銅製集電板とポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ボルトで締結した。締結荷重は同様に1000kgfの荷重を負荷した。図5Bに示すように、シミュレーション結果より、等圧線の本数が多くかつその間隔も狭いことから、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が大幅に上昇傾向にあることが確認された。従って、実施例1の締結構造は、比較例の締結構造に比して、接触圧力の最大値と最小値の差が平均値に対して25%から10%に低減できる効果を有することが判る。
(実施例2)
次に、本発明の実施例2の締結構造における外側バネ21と内側バネ22の配置構成の模式図を図6Aに示す。
図6Aに示すように、実施例2においては、端板13の隅部に外側バネ21を配置するのではなく、四角形状の端板13における各辺縁部の中点位置付近に4個の外側バネ21を配置している。また、それぞれの内側バネ22は、電極配置領域R2内に均等に配置するのではなく、4個の外側バネ21を結ぶ線分L1により構成される四角形の内側における電極配置領域R2内にその中心が位置されるように、内側バネ22が配置されている。さらに、4個の外側バネ21を結ぶ線分L1により構成される四角形の対角線L2上には複数の内側バネ22が配置されている。まず、対角線L2の中点P0(すなわち四角形の中心)に1個の内側バネ22が配置され、この対角線L2の中点P0と外側バネ21の配置位置とを結ぶ線分(対角線L2の一部である)の中点P1よりも中点P0側へシフトされた位置P2に内側バネ22が配置されている。なお、それぞれの外側バネ21及び内側バネ22の配置は、中心位置(P0)に対して対称な配置構成とされている。また、内側バネ22は合計13個配置されている。
このような実施例2の配置構成において、同様に1/4モデルのシミュレーション計算を行った結果を図6Bに示す。図6Bのグラフからも明らかなように、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が上昇という実施例1や比較例に現れた傾向が改善され、接触圧力の最大値と最小値の差が平均値に対して5%に減少されていることが判る。このように、外側バネ21の配置位置との関係で、内側バネ22の配置位置を例えば中点P1よりも内側に積極的に配置させることで、外側バネ21による付加される荷重の影響が、電極配置領域R2に現れ難くすることができる。
(実施例3)
次に、本発明の実施例3の締結構造における外側バネ21と内側バネ22の配置構成の模式図を図7Aに示す。
図7Aに示すように、実施例3においては、端板13の隅部に外側バネ21を配置した形態において、内側バネ22の配置構成に工夫を加味したものである。具体的には、図7Aに示すように、電極配置領域R2内に均等に配置するのではなく、4個の外側バネ21を結ぶ線分L3上には複数の内側バネ22が配置されており、線分L3の中点P0(すなわち電極配置領域R2の中心)に1個の内側バネ22が配置され、この線分L3の中点P0と外側バネ21の配置位置とを結ぶ線分(線分L3の一部である)の中点P3よりも中点P0側へシフトされた位置P4に内側バネ22が配置されている。なお、それぞれの外側バネ21及び内側バネ22の配置は、中心位置(P0)に対して対称な配置構成とされている。また、内側バネ22は合計13個配置されている。
このような実施例3の配置構成において、同様に1/4モデルのシミュレーション計算を行った結果を図7Bに示す。図7Bのグラフからも明らかなように、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が上昇という実施例1や比較例に現れた傾向が改善され、接触圧力の最大値と最小値の差が平均値に対して5%に減少されていることが判る。このように、外側バネ21の配置位置との関係で、内側バネ22の配置位置を例えば中点P3よりも内側に積極的に配置させることで、外側バネ21による付加される荷重の影響が、電極配置領域R2に現れ難くすることができる。
このような実施例1〜3及び比較例における電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’におけるMEA(あるいはセパレータ板)のたわみ量の比較グラフを図8に示す。
図8のグラフから明らかなように、内側バネを配置しない比較例では、中心位置Aに対する隅部端部位置A’のたわみ量の変化が実施例1〜3に比して大きいことが判る。また、実施例1では、隅部端部位置A’に向かうに従って、たわみ量が上昇する傾向にはあるものの、その上昇量は、比較例に比して抑制されていることが判る。また、実施例3では、実施例1に比して中心位置A付近のたわみ量を抑制する効果がある。さらに、実施例2では、隅部端部位置A’へ向かうに従ってのたわみ量の上昇傾向を抑制して、たわみ量の均一化が図られていることが判る。
次に、実施例1の燃料電池を70℃に保持し、アノードに70℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガス(水素ガス80%、二酸化炭素20%、一酸化炭素10ppm)を、カソードに70℃の露点となるように加湿及び加温した空気をそれぞれ供給した。この燃料電池を定格の25%の低負荷となる電流密度0.075A/cmから、定格負荷となる0.3A/cmまで電流密度を変化させて電流−電圧特性を評価した。ただし、試験中の利用率は定格条件と同等とした。その結果を図9に示す。なお、図9には比較例の燃料電池の特性も併記している。
図9に示すように、比較例の燃料電池は荷重分布により接触抵抗が部分的に大きくなり電池電圧の低下を招いているのに対して、実施例1の燃料電池では高い電圧を維持している。そこで、比較例の燃料電池では、接触抵抗を低減させるためにこの電池特性が同等になるところまで荷重を負荷したところ、締結圧を1200kgfに高めたところで同等の電池性能を発揮するようになった。そこで、これらの電池を定格負荷である0.3A/cmの電流密度にて電圧耐久特性を評価した。その結果を図10に示す。図10には比較例の燃料電池の特性も併記した。図10に示すように、比較例の燃料電池が5μV/hの劣化率に対して、実施例1の燃料電池では、1μV/hの劣化率を維持し安定した運転ができていることが判る。比較例では荷重分布のバラツキが発生したまま荷重を増大させたため、接触抵抗の低いところに電流の集中、若しくはMEAに局所的な荷重が負荷され長期的な電圧の低下も招いていると考えられる。これに対して、実施例1では、1μV/hの劣化率を維持し安定した運転ができているため、燃料電池の寿命を延ばすことが可能となるものと考えられる。なお、図9及び図10の説明では、比較例と実施例1との比較において本発明の効果を説明したが、接触圧力の均一性の効果がより高い実施例2及び3の形態においても、実施例1と同等あるいはそれ以上の寿命に関する効果を得ることができるものと考えられる。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
2007年6月6日に出願された日本国特許出願No.2007−150309号の明細書図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関する。
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。このように高分子電解質膜と電極(ガス拡散層を含む)とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)と呼ぶ。
また、MEAの両側には、MEAを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板においてMEAと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。このようなガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。なお、このように、MEAが一対のセパレータ板により挟み込まれた構造体を、単電池モジュールと言う。
セパレータ板とMEAとの間に形成されるガス流路への反応ガスの供給及びガス流路からの反応ガス、生成水の排出は、セパレータ板の縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこのマニホールド孔に連通して、マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。
また、ガス流路に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部へリークしたり、2種類のガスが互いに混合したりしないように、MEAにおける電極が形成されている部分、すなわち発電領域の外周を囲むように一対のセパレータ板の間にはシール部材としてガスシール材やガスケットが配置される。これらのガスシール材やガスケットは、マニホールド孔の周囲のシールをも行う。
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのMEA、セパレータ板及び冷却部を交互に重ねていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ロッド(ボルト)で両端から固定するのが一般的な積層電池(燃料電池スタック)の構造である。
このような積層電池では、冷却部を含む複数の単電池モジュールを一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配置し、それぞれの端板間を締結ロッド(ボルト)で固定して、それぞれの単電池モジュールを締め付けるような締め付け方式が採用されている。このような締め付け方式として、機械的強度の観点から、端板や締結ロッドには通常、ステンレス鋼などの金属材料を用い、これらの端板や締結ロッドと、積層電池との間を絶縁板により電気的に絶縁し、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造が採用されている。締結ロッドについては、セパレータ板の縁部に形成された貫通孔を通す方法や、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が一般的である。
このような締め付け方式が採用されている積層電池においては、単電池モジュールを面内(積層方向に直交する平面内)で均一な締結力で締め付けられることが重要とされている。この均一な締結力によって、空気、水素、冷却水等の漏れを防止し、また単電池モジュールの破損を防止し、さらにそれによって発電効率を上げたり、電池寿命を延長したりすることが可能となるからである。このような締め付け方式における締結力の均一化の観点から、例えば特許文献1では、端板の外側に配したX型の締付板との間にバネを挟み、バネの弾力性を周囲に配置したバネより中央に配置したバネを大きくすることで、締結力を均一化する方法が提案されている。また、特許文献2では、端板への加圧部を点接触にすることで締結力を均一にする方法が提案されている。また、その他、例えば、特許文献3〜10に開示されているような様々な提案がなされている。
特開昭62−271364号公報 特開平9−259916号公報 特開2007−113707号公報 特開昭61−248368号公報 特開平09−270267号公報 米国特許第4997728号明細書 米国特許第6258475号明細書 米国特許出願公開第2005/0277012号明細書 米国特許第4973531号明細書 米国特許出願公開第2007/0042250号明細書
ところで、一般的に、セパレータ板の間に配置するMEAとガスケットはその剛性が異なる。一般的には、ガスケットの剛性は、MEAの厚み方向における剛性よりも低い。そのため、端板で締結のための荷重を付加すると、この剛性の違いによりMEAに比してガスケットが大きく変形され、MEA及びガスケットとセパレータ板との間において、互いの接触圧力にバラツキが生じる。このような接触圧力のバラツキは接触抵抗のバラツキとなり、燃料電池における発電性能を低下させる要因となるという問題がある。このような接触抵抗のバラツキによる発電性能の低下が生じることを抑制するために、締結力として必要以上に荷重を付加するような対策が採用される場合もあり、このような場合にあっては、MEAやガスケットの機械的強度の低下が促進されて、燃料電池の寿命が短くなるという問題がある。特許文献1および2のような方式においても、MEAとセパレータ板との間に、接触圧力のバラツキが生じ、同様な問題が発生する。
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、高分子電解質型燃料電池において、膜電極接合体とセパレータ板との間に接触圧力のバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ板間に配置されるシール部材に適正な締結力を付加する締結構造が用いられた高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、膜電極接合体と、上記膜電極接合体を挟む一対のセパレータ板と、上記膜電極接合体の周縁部と上記一対のセパレータ板との間に配置されたシール部材とを有する単電池モジュールが積層され、上記積層された単電池モジュールの両端に一対の端板が配置されるとともに、上記一対の端板を複数の締結部材で挟み付けて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
上記それぞれの締結部材と上記端板との間に介在して配置された第1弾性部材と、
上記端板と上記燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備え、
上記各単電池モジュールにおける上記膜電極接合体の電極部に相当する上記端板表面の第2弾性部材配置領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置されている、高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第2態様によれば、上記各単電池モジュールにおける上記シール部材の配置領域に相当する上記端板表面に、上記第1弾性部材が配置されている、第1態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第3態様によれば、上記端板の上記燃料電池スタック端部側の表面に凹部が形成され、
上記凹部の内底面を上記第2弾性部材配置領域として、上記内底面と上記燃料電池スタック端部との間に上記複数の第2弾性部材が配置され、
上記端板の表面における上記凹部の周囲の縁部が、上記燃料電池スタック端部と接触している、第2態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第4態様によれば、上記それぞれのセパレータ板及び端板は四角形形状を有し、
上記端板において、上記四角形形状の4辺におけるそれぞれの中点位置近傍に上記第1弾性部材が配置され、
上記第2弾性部材配置領域において、4つの上記第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形状の領域より内側の領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置される、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第5態様によれば、上記4つの第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形形状の領域の中心と上記第1弾性部材を結ぶ線分上において、上記線分の中点よりも上記中心側の上記第2弾性部材配置領域における位置に上記第2弾性部材が配置される、第4態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第6態様によれば、上記それぞれのセパレータ板及び端板は四角形形状を有し、
上記端板において、上記四角形形状の4隅それぞれに上記第1弾性部材が配置され、
4つの上記第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形形状の領域の中心と上記第1弾性部材を結ぶ線分上において、上記線分の中点よりも上記中心側の上記第2弾性部材配置領域における位置に上記第2弾性部材が配置される、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第7態様によれば、上記端板における上記第2弾性部材配置領域と上記燃料電池スタック端部との間に、集電板が配置されている、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第8態様によれば、上記単電池モジュールの積層方向において、上記シール部材は上記膜電極接合体の電極部よりもその剛性が低い部材であり、
上記それぞれの第1弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重が、上記それぞれの第2弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重よりも小さくなるように、上記それぞれの第1弾性部材および第2弾性部材が配置される、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第9態様によれば、上記締結部材は、上記それぞれの端板及びセパレータ板を貫通するように締結する締結用ボルトであり、上記第1弾性部材及び第2弾性部材はバネ部材である、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明によれば、高分子電解質型燃料電池において、それぞれの締結部材と端板との間に介在して配置された複数の第1弾性部材と、端板と燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備えさせ、さらに、各単電池モジュールにおいて膜電極接合体の電極部に相当する端板表面の第2弾性部材配置領域に、それぞれの第2弾性部材を配置していることにより、電極部に付加される荷重(締結力)を、電極部以外(例えば、シール部材)に付加される荷重とは別に制御することが可能となる。
さらに、各単電池モジュールにおいて膜電極接合体の電極部を囲むように膜電極接合体の周縁部と一対のセパレータ板との間に配置されたシール部材の配置領域に相当する端板表面の第1弾性部材配置領域に、それぞれの第1弾性部材を配置していることにより、シール部材配置領域に付加される荷重を、電極部に付加される荷重とは別に制御することが可能となる。
すなわち、シール部材配置領域においては、シール部材によるシール機能を達成するために必要な荷重を、第1弾性部材の弾性力でもって締結部材及び端板を介して燃料電池スタックに付与することができるとともに、電極部においては、膜電極接合体とセパレータ板との発電に求められる適正な接触荷重を、そのバラツキを抑制しながら、第2弾性部材の弾性力でもって燃料電池スタックに付与することができる。
従って、高分子電解質型燃料電池において、膜電極接合体とセパレータ板との間に接触圧力のバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ板間に配置されるシール部材に適正な締結力を付加する締結構造が用いられた高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1実施形態)
本発明の一実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池101の構造を、一部分解した状態にて示す模式斜視図を図1に示す。図1に示すように、燃料電池101は、複数の単電池モジュールを積層させて構成されている。また、図1の燃料電池101における単電池モジュールにおける周縁部の部分模式断面図(II−II線断面図)を図2に示す。
図1に示すように、燃料電池101は、燃料電池における発電装置の単位構成である単電池モジュール11を複数台積層した状態にて、両端に一対の集電板12、端板13を配置して挟み込み、ボルト孔を貫通させた締結ボルト14とナット15(締結部材の一例)にて締結することにより構成されている。なお、このように、複数の単電池モジュール11が積層されて締結されたものを、燃料電池スタック10と呼んでいる。なお、本実施形態では、例えば単電池モジュール(「セル」とも言う。)が60台積層されて、燃料電池スタック10が構成されている。
次に、単電池モジュール11の具体的な構成について説明する。図1及び図2に示すように、単電池モジュール11は、MEA1の両端に配置された一対の導電性のセパレータ板、具体的にはアノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bにより、MEA1を挟んで構成されている。MEA1は、高分子電解質膜2と、この高分子電解質膜2の両面に形成された一対の電極、すなわちアノード電極3A及びカソード電極3Bとを備えて構成される。これらの電極3A及び3Bは、高分子電解質膜2の表面に形成される触媒層と、この触媒層の外表面に配置されるガス拡散層とにより構成される。また、アノード側セパレータ板4AのMEA1側の表面には、燃料ガス流路を形成するための燃料ガス流路溝5が形成されており、カソード側セパレータ板4BのMEA1側の表面には、酸化剤ガス流路を形成するための酸化剤ガス流路溝6が形成されている。
MEA1におけるそれぞれの電極(電極部)3A及び3Bの最も外側に配置されているガス拡散層が、それぞれのセパレータ板4A及び4Bと当接し、アノード側セパレータ板4Aの燃料ガス流路溝5がガス拡散層により覆われて燃料ガス流路が形成されるとともに、カソード側セパレータ板4Bの酸化剤ガス流路溝6がガス拡散層により覆われて酸化剤ガス流路が形成される。このように形成された燃料ガス流路に燃料ガスが流通されると、流通される燃料ガスにアノード電極3Aのガス拡散層が暴露されることとなるとともに、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが流通されると、流通される酸化剤ガスにカソード電極3Bのガス拡散層が暴露されることとなる。その結果、それぞれの電極3A及び3Bにおいて、所定の電気化学反応が生じ、単電池モジュール11における発電が行われる。積層されたそれぞれの単電池モジュール11においては、隣接した単電池モジュール11におけるMEA1同士が互いに電気的に直列に接続される、あるいは電気的に並列に接続されて、燃料電池101全体として発電された電力を取り出すことが可能に構成されている。
また、単電池モジュール11におけるそれぞれのセパレータ板4A及び4Bの周縁部には、燃料ガス流路溝5及び酸化剤ガス流路溝6に個別に連通する貫通孔である燃料ガスマニホールド孔7A及び酸化剤ガスマニホールド孔7Bが形成されている。単電池モジュール11が積層された状態では、これらのマニホールド孔7A、7Bが積層されて結合し、連通された流体の通路となる燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドが形成される。
さらに、それぞれのセパレータ板4A及び4Bの周縁部には、燃料ガスマニホールド孔7A及び酸化剤ガスマニホールド孔7Bと同様に、水が流通する二対のマニホールドを形成する水マニホールド孔7Cが形成されている。同様に単電池モジュール11が積層された状態では、これらのマニホールド孔7Cが積層されて結合し、連通された流体の通路となる水マニホールドが形成される。
また、図2に示すように、MEA1の高分子電解質膜2の周縁部には、電極3A及び3Bが形成されておらず、この部分は、シール機能を有するガスケット部(シール部材の一例である)8として形成されている。すなわち、MEA1の周縁部の内側に電極3Aおよび3Bが配置されている。ガスケット部8は、高分子電解質膜2の周縁部を挟み込むように弾性体により形成されており、図2に示すように、単電池モジュール11において、一対のセパレータ板4A及び4Bに挟まれた状態にて配置される。このような状態において、ガスケット部8は、MEA1の電極3A及び3Bに供給される燃料ガスや酸化剤ガスが単電池モジュール11の外部へリークしないように、さらに2種類のガスが混合しないように、シールを行う。さらに、ガスケット部8には、それぞれのマニホールド孔7A〜7Cに応じた位置に孔が形成されており、それぞれのセパレータ板4A及び4Bに挟まれた状態で、マニホールド孔の周囲をシールする。なお、本実施形態においては、ガスケット部8は、MEA1の一部として一体的に形成されている場合を例として説明する。ただし、本実施形態の燃料電池101はこのような場合についてのみ限定されるものではなく、このような場合に代えて例えばガスケット8がMEA1と別体として形成されるような場合であってもよい。また、本実施形態においては、MEA1において、ガスケット部8が形成されている領域をガスケット配置領域(シール部材配置領域の一例である)R1とし、電極3A及び3Bが形成されている領域を電極配置領域(電極部が配置された領域あるいは発電領域の一例である)R2とする。
アノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bは、平板状であって、MEA1と接触する側の面、すなわち単電池モジュール11における内側の面は、MEA1における電極配置領域R2とガスケット配置領域R1の表面形状に応じた形状を有するように形成されている。図2の模式図では、MEA1の表面形状及びそれに接するセパレータ板4A及び4Bの表面形状が平坦であるように示しているが、実際には、特にガスケット配置領域R1において、ガスケット部8の機能を達成するために、MEA1の表面が隆起するように形成されている。また、本実施形態では、アノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bには、例えば東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン(厚さ:3mm)を用いている。また、セパレータ板4A及び4Bでは、各種マニホールド孔、ボルト孔がセパレータ板4A及び4Bの縁部においてその厚み方向に貫通するように形成されている。また、それぞれのセパレータ板4A及び4Bの背面には水流路溝9A及び9Bが形成されている。セパレータ板4A及び4Bにおいて、各種マニホールド孔、ボルト孔、燃料ガス流路溝、酸化剤ガス流路溝、水流路溝等は、切削加工あるいは成形加工により形成される。
また、水流路溝9A及び9Bは、二対の水マニホールド孔7C間を結ぶようにして形成される。つまり、水が供給側のマニホールドから、水流路溝9A及び9Bに分岐して供給され、排出側のマニホールドに流通するように形成されている。このような構造が採用されていることにより、水の伝熱能力を利用して単電池モジュール11を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスと同様にして、セパレータ板4A、4B及びMEA1の周縁部に水マニホールド孔を形成せずに、冷却水給排路をセパレータ板の外部に形成する外部マニホールド構造が採用されるような場合であってもよい。さらには、セパレータ板の背面に水流路溝を形成せずに、隣接する単電池モジュール11の間に、冷却水が循環する冷却ユニットを挿入して、単電池モジュール11を積層するような構成が採用されるような場合であってもよい。
また、図2に示すように、アノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bの背面には、各種マニホールド孔の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキン等の一般的なシール部材であるパッキン16が配置されている。これによって、隣接する単電池モジュール11の間において、各種マニホールド孔のモジュール間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び水の漏出が防止される。
集電板12は、燃料電池スタック(単電池モジュール積層体)10の外側に配置され、発電された電気を効率よく集電できるように、銅板に金メッキが施したものを使用する。なお、集電板12には、その他電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス、アルミ等を使用しても良い。また、表面処理はスズメッキ、ニッケルメッキ等を施してもよい。集電板12の外側には通常、電気を絶縁するための絶縁板が配置されるが、本実施形態では、電気絶縁性のある材料を用いた端板13でその役割も兼用させている。ここで端板13には、例えばポリフェニレンサルファイド製の樹脂を用いて、射出成形で製作したものが使用されている。なお、端板13には端板13と一体となる配管(図示せず)が備えられており、この配管は、各種マニホールドに連通して流体の供給又は排出を行うように設けられている。また、本実施形態では、「燃料電池スタック」とは、燃料電池スタック10自体を意味する場合の他に、燃料電池スタック10の外側に集電板12が配置されるような構成(すなわち、図1に示すような構成)では、それぞれの集電板12をも含めて燃料電池スタックを意味する場合も含む。したがって、図1に示すような構成では、「燃料電池スタック端部」とは、それぞれの集電板12の端部を意味する。
次に、本実施形態の燃料電池101において、単電池モジュール11の積層体である燃料電池スタック10を一対の端板13、並びに締結ボルト14及びナット15により締結した際に、MEA1とセパレータ板4A、4Bとの間に接触圧力のバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ間に配置されるガスケット部8に適正な締結力を付加する締結構造を実現するための構成について説明する。
図1に示すように、端板13の外側の隅部分には、第1弾性部材の一例である4個の外側バネ21が配置されている。これら4個の外側バネ21を介すようにして、締結ボルト14及びナットにより、一対の端板13の間に挟まれた燃料電池スタック10が締結されており、外側バネ21が圧縮されることにより生じる弾性力を、端板13を介してそれぞれの単電池モジュール11に締結荷重として付加している。また、四角形形状を有する端板13の内側表面には、四角形枠状にその縁部を残すようにして凹部23が形成されている。凹部23の内底面23aは平坦状に形成されており、この内底面23aには、第2弾性部材の一例である25個の内側バネ22が、均等な間隔で配置されている。それぞれの内側バネ22は、集電板12を介して凹部23内にて圧縮されることにより、その弾性力をそれぞれの単電池モジュール11に付加している。
ここで、本実施形態の燃料電池101における締結構造を一方の端板13付近において示す模式図を図3Aに示すとともに、その締結構造の分解図を図3Bに示す。
図3A及び図3Bに示すように、端板13における燃料電池スタック10側の面(以降、「内側表面」とする。)に形成された凹部23には、25個の内側バネ22が均等な間隔にて配置されている。これらの内側バネ22は、スタック10の端部に位置される単電池モジュール11のセパレータ、例えばアノード側セパレータ板4Aと、端板13との間に配置された集電板12と、端板13の凹部23の内底面23aとの間に挟まれるようにして配置されている。この端板13の凹部23は、その配置(内側バネ配置領域)が、単電池モジュール11における電極配置領域R2と略合致するように形成されている。そのため、端板13が締結された状態において、それぞれの内側バネ22が圧縮されることにより生じる弾性力が、それぞれの単電池モジュール11における電極配置領域R2に積極的に付加されるような構造が実現されている。
また、端板13の内側表面における凹部23の周囲に形成される四角形枠状の縁部(以降、「枠部24」とする。)は、集電板12の表面に直接的に当接するように配置される。すなわち、端板13の枠部24は、内側バネ22や外側バネ21等の弾性部材を介在させることなく、集電板12の表面に直接的に接触して配置(すなわち、「燃料電池スタック端部」に直接接触して配置)されている。端板13の枠部24は、その配置(外側バネ配置領域)が、単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R1と略合致するように形成されている。さらに、端板13においては、この枠部24の隅部に、締結ボルト14の貫通用の孔が形成されており、この孔がそれぞれの単電池モジュール11に形成されているボルト貫通用孔と合致するように配置されている。端板13の外側表面においては、このボルト貫通用孔の形成位置に外側バネ21が配置されており、この外側バネ21の中央部を貫通し、さらにそれぞれのボルト貫通用孔を貫通させるようにして、それぞれの締結ボルト14が配置されている。このような構成において、締結ボルト14をナット15と螺合させて締結を行うと、締結ボルト14の頭部と端板13の外側表面との間で外側バネ21が圧縮され、これにより生じる弾性力が、端板13の枠部24を通じてそれぞれの単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R2に積極的に付加されるような構造が実現されている。
すなわち、本実施形態の燃料電池101における締結構造においては、単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R1に積極的にその弾性力による締結荷重を付加する外側バネ21と、電極配置領域R2に積極的にその弾性力による締結荷重を付加する内側バネ22とを備えさせることにより、MEA1の電極3A、3Bとセパレータ4A、4Bとの間に効率的な発電に必要な接触圧力を付与するとともに、その接触力の位置によりバラツキが生じることを低減し、かつ、セパレータ4A及び4Bの間に配置されるガスケット部8に上記接触圧力とは異なる適正な締結荷重を付加する締結構造を実現することができる。
また、端板13において、内側表面に凹部23と枠部24が形成され、外側バネ21により枠部24が集電板12を介してそれぞれの単電池モジュール11を締結するとともに、このような締結状態において、端板13の凹部23内に配置された内側バネ22が集電板12との間で挟まれるようにして圧縮状態とされて、端板13を介在させることなく、集電板12を介してそれぞれの単電池モジュール11にその弾性力を付加するような構成が採用されていることにより、2種類のバネ21、22が互いに独立してその弾性力による荷重付加を実現することができる。なお、このような締結構造における付加荷重の設定は、それぞれのバネ21、22のバネ定数等の仕様、外側バネ21については、締結ボルト14の締結による外側バネ21の圧縮量、並びに内側バネ22については、端板13の凹部23の深さ寸法により行われる。
本第1実施形態の燃料電池101の締結構造においては、例えば、単電池モジュール11のガスケット配置領域R1に単位面積あたりの荷重として1kgf/cmの荷重を付加し、電極配置領域R2に4kgf/cmの荷重(付加荷重を電極配置領域R2全体の面積で除した値)を付加することができる。従って、単電池モジュール11の外周縁であるガスケット部8が配置されていて剛性が小さい領域には比較的小さい荷重で締結を行い、内側のMEA1の電極3A、3Bが配置されていて剛性が強い領域は比較的強い荷重で締結を行うことができる。その結果として、それぞれのセパレータ4A、4Bの変形を抑制し、MEA1の電極配置領域R2に対して均等に荷重を付加することができる。また、本実施形態によれば、電極配置領域R2及びガスケット配置領域R1に対して、内側バネ22及び外側バネ21により略均等な荷重を付加する構成が採用されているため、例えば、MEA1が熱的な影響により部分的に膨張するような形態変化が生じても、バネによりその変化を吸収することができ、形態変化に対応することができる。
なお、上述のような端板13の外側及び内側のバネの配置構成は、燃料電池スタック10において、一対の端板13の少なくとも一方に設けられていれば、その効果を得ることができる。ただし、一対の端板13の両方に設けられていることがより好ましい。
また、上記実施形態では、それぞれの外側バネ21が、単電池モジュール11におけるガスケット配置領域R1に相当する端板13上の領域(すなわち、外側バネ配置領域)に配置されているような場合を例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、端板13の外側表面上において、外側バネ配置領域に関係なく、外側バネ21の配置が決定されるような場合であってもよい。ただし、このような配置構成を採用する場合には、端板13の枠部24がガスケット配置領域R1と略合致するように形成されていることが必要となる。
また、上記実施形態では、締結部材の一例として締結ボルト14およびナット15が用いられるような場合について説明したが、このような場合に代えて、締結部材として、ワイヤやスチールベルトなどが用いられるような場合であってもよい。
(実施例について)
本発明の端板と2種類のバネを用いた締結構造においては、外側バネと内側バネの配置を工夫することにより、荷重分布の均一性の効果も大きく異なる。ここで、このような外側バネと内側バネの配置関係の実施例(変形例)について言及するとともに、その荷重分布のシミュレーション結果について説明する。
(共通する構成)
まず、以降に説明するそれぞれの実施例に共通する単電池モジュール11の具体的な形成材料及び製造方法について説明する。アセチレンブラック系カーボン粉末(電気化学株式会社製DENKABLACKFX-35)、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持させたものをカソードの触媒とした。また、アセチレンブラック系カーボン粉末(電気化学株式会社製DENKABLACKFX-35)に、平均粒径約30Åの白金−ルテニウム合金(Pt:Ru=1:1(重量比))粒子を25重量%担持させたものをアノードの触媒とした。これらの触媒粉末のイソプロパノール分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液(旭硝子株式会社製FlemionFSS-1)を混合し、ペースト状にした。その後、これらのペーストを原料としスクリーン印刷法を用いて、それぞれ厚み250μmのカーボン不織布(東レ工業株式会社製TGP-H-090)の一方の面に電極触媒層を形成した。このようにして形成された電極の触媒層に含まれる白金量は0.3mg/cm、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cmとした。
これらの電極は、触媒材料以外の構成はカソード・アノード共に同一構成である。これらの電極を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜(米国デュポン社製NAFION122)の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレス加工によって接合した。また、電極の外周に露出する高分子電解質膜の周縁部は、厚さ250μmのフッ素系ゴム(旭硝子株式会社製アフラス(登録商標))のシートからなるガスケットで挟み、ホットプレス加工によって接合して一体化させた。こうして、電解質膜電極接合体(MEA)を作製した。プロトン伝導性高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を30μmの厚みに薄膜化したものを用いた。
また、厚さ3mmの等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路及びマニホールド孔を形成することにより、導電性セパレータを形成した。ガス流路の溝幅は2mm、深さは1mm、流路間の幅は1mmとし、それぞれ2本パスの流路構成とした。冷却水の流路は溝の深さを0.5mmにした他はガス流路と同様である。この電池の定格運転条件は、燃料利用率75%、酸素利用率40%、電流密度0.3A/cm2である。
以上のようなカソード側セパレータとアノード側セパレータとによりMEAを挟んだ単電池モジュール(セル)を50セル積層した。隣接するセル間には、両セパレータ板により冷却水の流路が形成される。このセル積層体を、表面に金メッキした5mmの銅製集電板とポリフェニレンサルファイド製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。
(実施例1)
ここで、図1の上記実施形態の締結構造を実施例1として、その端板13における外側バネ21及び内側バネ22の配置関係を図4Aに示す。図4Aに示すように、実施例1の締結構造では、端板13と集電板12の間には図1及び図3Aにおいても示したように、凹部23内に25個の内側バネ22を配置した。内側バネ22としては、バネ定数7kgf/mmのバネを用い、自由長より4.8mm縮めることで840kgfの荷重を発生させた。また、端板13の外側表面における4つの隅部それぞれには、外側バネ21として、バネ定数50kgf/mmのバネを用い、4本の締結ボルト14で自由長から5mm締め込み1000kgfの荷重を発生させてナット15で締結を行った。
また、MEAにおける電極配置領域の圧力分布を確かめるために、構造解析ソフト(ABAQUS Version6.4)を用いて、1/4モデルでシミュレーションを行った。なお、1/4モデルとは、図4Aに示す点線にて囲まれた領域Qに相当するモデルである。この実施例1の締結構造におけるMEAの電極配置領域に生じる接触圧力のシミュレーション計算結果を図4Bのグラフに示す。図4Bのグラフは、領域Qに相当する1/4モデルにおいて、接触圧力の均一性の度合い、あるいはバラツキの度合いを示しており、図示される等圧線の本数が多い場合や間隔が狭い場合には、その圧力分布にバラツキが大きいことを示し、その逆の場合には圧力分布の均一性が高いことを示すグラフである。図4Bに示すグラフからは、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が上昇傾向にあるものの、その上昇が緩やかなものに抑えられている。また、このシミュレーション結果を確認するために、実施例1の単電池モジュールにおいて、MEAとセパレータとの間に感圧紙(富士フイルム製)を挟み込み、その接触圧力の確認を行ったところ、シミュレーションと同様の結果が得られた。
(比較例)
次に、実施例1の締結構造に対する比較例として、端板13の外側表面の隅部に4個の外側バネ21を配置し、内側バネ22が配置されない構成を図5Aに示す。また、このような構成における1/4モデルのシミュレーション結果を図5Bに示す。なお、この比較例では、セル積層体は共通のものを使用し、このセル積層体を、表面に金メッキした5mmの銅製集電板とポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ボルトで締結した。締結荷重は同様に1000kgfの荷重を負荷した。図5Bに示すように、シミュレーション結果より、等圧線の本数が多くかつその間隔も狭いことから、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が大幅に上昇傾向にあることが確認された。従って、実施例1の締結構造は、比較例の締結構造に比して、接触圧力の最大値と最小値の差が平均値に対して25%から10%に低減できる効果を有することが判る。
(実施例2)
次に、本発明の実施例2の締結構造における外側バネ21と内側バネ22の配置構成の模式図を図6Aに示す。
図6Aに示すように、実施例2においては、端板13の隅部に外側バネ21を配置するのではなく、四角形状の端板13における各辺縁部の中点位置付近に4個の外側バネ21を配置している。また、それぞれの内側バネ22は、電極配置領域R2内に均等に配置するのではなく、4個の外側バネ21を結ぶ線分L1により構成される四角形の内側における電極配置領域R2内にその中心が位置されるように、内側バネ22が配置されている。さらに、4個の外側バネ21を結ぶ線分L1により構成される四角形の対角線L2上には複数の内側バネ22が配置されている。まず、対角線L2の中点P0(すなわち四角形の中心)に1個の内側バネ22が配置され、この対角線L2の中点P0と外側バネ21の配置位置とを結ぶ線分(対角線L2の一部である)の中点P1よりも中点P0側へシフトされた位置P2に内側バネ22が配置されている。なお、それぞれの外側バネ21及び内側バネ22の配置は、中心位置(P0)に対して対称な配置構成とされている。また、内側バネ22は合計13個配置されている。
このような実施例2の配置構成において、同様に1/4モデルのシミュレーション計算を行った結果を図6Bに示す。図6Bのグラフからも明らかなように、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が上昇という実施例1や比較例に現れた傾向が改善され、接触圧力の最大値と最小値の差が平均値に対して5%に減少されていることが判る。このように、外側バネ21の配置位置との関係で、内側バネ22の配置位置を例えば中点P1よりも内側に積極的に配置させることで、外側バネ21による付加される荷重の影響が、電極配置領域R2に現れ難くすることができる。
(実施例3)
次に、本発明の実施例3の締結構造における外側バネ21と内側バネ22の配置構成の模式図を図7Aに示す。
図7Aに示すように、実施例3においては、端板13の隅部に外側バネ21を配置した形態において、内側バネ22の配置構成に工夫を加味したものである。具体的には、図7Aに示すように、電極配置領域R2内に均等に配置するのではなく、4個の外側バネ21を結ぶ線分L3上には複数の内側バネ22が配置されており、線分L3の中点P0(すなわち電極配置領域R2の中心)に1個の内側バネ22が配置され、この線分L3の中点P0と外側バネ21の配置位置とを結ぶ線分(線分L3の一部である)の中点P3よりも中点P0側へシフトされた位置P4に内側バネ22が配置されている。なお、それぞれの外側バネ21及び内側バネ22の配置は、中心位置(P0)に対して対称な配置構成とされている。また、内側バネ22は合計13個配置されている。
このような実施例3の配置構成において、同様に1/4モデルのシミュレーション計算を行った結果を図7Bに示す。図7Bのグラフからも明らかなように、電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’に向けて接触圧力が上昇という実施例1や比較例に現れた傾向が改善され、接触圧力の最大値と最小値の差が平均値に対して5%に減少されていることが判る。このように、外側バネ21の配置位置との関係で、内側バネ22の配置位置を例えば中点P3よりも内側に積極的に配置させることで、外側バネ21による付加される荷重の影響が、電極配置領域R2に現れ難くすることができる。
このような実施例1〜3及び比較例における電極配置領域R2の中心位置Aから隅部端部位置A’におけるMEA(あるいはセパレータ板)のたわみ量の比較グラフを図8に示す。
図8のグラフから明らかなように、内側バネを配置しない比較例では、中心位置Aに対する隅部端部位置A’のたわみ量の変化が実施例1〜3に比して大きいことが判る。また、実施例1では、隅部端部位置A’に向かうに従って、たわみ量が上昇する傾向にはあるものの、その上昇量は、比較例に比して抑制されていることが判る。また、実施例3では、実施例1に比して中心位置A付近のたわみ量を抑制する効果がある。さらに、実施例2では、隅部端部位置A’へ向かうに従ってのたわみ量の上昇傾向を抑制して、たわみ量の均一化が図られていることが判る。
次に、実施例1の燃料電池を70℃に保持し、アノードに70℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガス(水素ガス80%、二酸化炭素20%、一酸化炭素10ppm)を、カソードに70℃の露点となるように加湿及び加温した空気をそれぞれ供給した。この燃料電池を定格の25%の低負荷となる電流密度0.075A/cmから、定格負荷となる0.3A/cmまで電流密度を変化させて電流−電圧特性を評価した。ただし、試験中の利用率は定格条件と同等とした。その結果を図9に示す。なお、図9には比較例の燃料電池の特性も併記している。
図9に示すように、比較例の燃料電池は荷重分布により接触抵抗が部分的に大きくなり電池電圧の低下を招いているのに対して、実施例1の燃料電池では高い電圧を維持している。そこで、比較例の燃料電池では、接触抵抗を低減させるためにこの電池特性が同等になるところまで荷重を負荷したところ、締結圧を1200kgfに高めたところで同等の電池性能を発揮するようになった。そこで、これらの電池を定格負荷である0.3A/cmの電流密度にて電圧耐久特性を評価した。その結果を図10に示す。図10には比較例の燃料電池の特性も併記した。図10に示すように、比較例の燃料電池が5μV/hの劣化率に対して、実施例1の燃料電池では、1μV/hの劣化率を維持し安定した運転ができていることが判る。比較例では荷重分布のバラツキが発生したまま荷重を増大させたため、接触抵抗の低いところに電流の集中、若しくはMEAに局所的な荷重が負荷され長期的な電圧の低下も招いていると考えられる。これに対して、実施例1では、1μV/hの劣化率を維持し安定した運転ができているため、燃料電池の寿命を延ばすことが可能となるものと考えられる。なお、図9及び図10の説明では、比較例と実施例1との比較において本発明の効果を説明したが、接触圧力の均一性の効果がより高い実施例2及び3の形態においても、実施例1と同等あるいはそれ以上の寿命に関する効果を得ることができるものと考えられる。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
2007年6月6日に出願された日本国特許出願No.2007−150309号の明細書図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
図1は、本発明の一の実施形態にかかる燃料電池の分解斜視図である。 図2は、図1の燃料電池における単電池モジュールの部分模式断面図である。 図3Aは、上記実施形態における燃料電池の締結構造を示す部分模式断面図である。 図3Bは、図3Aの締結構造を分解した状態を示す部分模式断面図である。 図4Aは、本発明の実施例1の締結構造を示す模式平面図である。 図4Bは、実施例1の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフである。 図5Aは、本発明の比較例の締結構造を示す模式平面図である。 図5Bは、比較例の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフである。 図6Aは、本発明の実施例2の締結構造を示す模式平面図である。 図6Bは、実施例2の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフである。 図7Aは、本発明の実施例3の締結構造を示す模式平面図である。 図7Bは、実施例3の締結構造における接触圧力分布のシミュレーション結果のグラフである。 図8は、実施例1から3及び比較例の締結構造におけるセパレータ板のたわみ量を示すグラフである。 図9は、実施例1及び比較例の燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフである。 図10は、実施例1及び比較例1の電圧耐久特性を示すグラフである。
本発明の第1態様によれば、膜電極接合体と、上記膜電極接合体を挟む一対のセパレータ板と、上記膜電極接合体の周縁部と上記一対のセパレータ板との間に配置されたシール部材とを有する単電池モジュールが積層され、上記積層された単電池モジュールの両端に一対の端板が配置されるとともに、上記一対の端板を複数の締結部材で挟み付けて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
上記それぞれの締結部材と上記端板との間に介在して配置された第1弾性部材と、
上記端板と上記燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備え、
上記各単電池モジュールにおける上記膜電極接合体の電極部に相当する上記端板表面の第2弾性部材配置領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置されており、
上記それぞれの第1弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重が、上記それぞれの第2弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重よりも小さくなるように、上記それぞれの第1弾性部材および第2弾性部材が配置されている、高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の第8態様によれば、上記単電池モジュールの積層方向において、上記シール部材は上記膜電極接合体の電極部よりもその剛性が低い部材である、第3態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。

Claims (9)

  1. 膜電極接合体と、上記膜電極接合体を挟む一対のセパレータ板と、上記膜電極接合体の周縁部と上記一対のセパレータ板との間に配置されたシール部材とを有する単電池モジュールが積層され、上記積層された単電池モジュールの両端に一対の端板が配置されるとともに、上記一対の端板を複数の締結部材で挟み付けて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
    上記それぞれの締結部材と上記端板との間に介在して配置された第1弾性部材と、
    上記端板と上記燃料電池スタック端部との間に配置された複数の第2弾性部材とを備え、
    上記各単電池モジュールにおける上記膜電極接合体の電極部に相当する上記端板表面の第2弾性部材配置領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置されている、高分子電解質型燃料電池。
  2. 上記各単電池モジュールにおける上記シール部材の配置領域に相当する上記端板表面に、上記第1弾性部材が配置されている、請求項1に記載の高分子電解質型燃料電池。
  3. 上記端板の上記燃料電池スタック端部側の表面に凹部が形成され、
    上記凹部の内底面を上記第2弾性部材配置領域として、上記内底面と上記燃料電池スタック端部との間に上記複数の第2弾性部材が配置され、
    上記端板の表面における上記凹部の周囲の縁部が、上記燃料電池スタック端部と接触している、請求項2に記載の高分子電解質型燃料電池。
  4. 上記それぞれのセパレータ板及び端板は四角形形状を有し、
    上記端板において、上記四角形形状の4辺におけるそれぞれの中点位置近傍に上記第1弾性部材が配置され、
    上記第2弾性部材配置領域において、4つの上記第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形状の領域より内側の領域に、上記それぞれの第2弾性部材が配置される、請求項3に記載の高分子電解質型燃料電池。
  5. 上記4つの第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形形状の領域の中心と上記第1弾性部材を結ぶ線分上において、上記線分の中点よりも上記中心側の上記第2弾性部材配置領域における位置に上記第2弾性部材が配置される、請求項4に記載の高分子電解質型燃料電池。
  6. 上記それぞれのセパレータ板及び端板は四角形形状を有し、
    上記端板において、上記四角形形状の4隅それぞれに上記第1弾性部材が配置され、
    4つの上記第1弾性部材を結ぶ線分により形成される四角形形状の領域の中心と上記第1弾性部材を結ぶ線分上において、上記線分の中点よりも上記中心側の上記第2弾性部材配置領域における位置に上記第2弾性部材が配置される、請求項3に記載の高分子電解質型燃料電池。
  7. 上記端板における上記第2弾性部材配置領域と上記燃料電池スタック端部との間に、集電板が配置されている、請求項3に記載の高分子電解質型燃料電池。
  8. 上記単電池モジュールの積層方向において、上記シール部材は上記膜電極接合体の電極部よりもその剛性が低い部材であり、
    上記それぞれの第1弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重が、上記それぞれの第2弾性部材の弾性により生じる単位面積当たりの荷重よりも小さくなるように、上記それぞれの第1弾性部材および第2弾性部材が配置される、請求項3に記載の高分子電解質型燃料電池。
  9. 上記締結部材は、上記それぞれの端板及びセパレータ板を貫通するように締結する締結用ボルトであり、上記第1弾性部材及び第2弾性部材はバネ部材である、請求項3に記載の高分子電解質型燃料電池。
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2333890B1 (en) * 2009-03-17 2014-04-30 Panasonic Corporation Fuel cell stack
CN102195009A (zh) * 2010-03-10 2011-09-21 北京普能世纪科技有限公司 液流电池堆的锁紧装置
GB201006403D0 (en) * 2010-04-16 2010-06-02 Itm Power Laminated stack
EP2664017A4 (en) * 2011-01-13 2015-10-21 Imergy Power Systems Inc STACK OF FLOW CELLS
CN103370810B (zh) * 2011-02-14 2016-03-02 丰田自动车株式会社 二次电池和电池组
JP5756653B2 (ja) * 2011-03-02 2015-07-29 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP5675437B2 (ja) 2011-03-02 2015-02-25 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
KR101703573B1 (ko) * 2011-08-12 2017-02-07 현대자동차 주식회사 연료 전지 스택
DE102013204378A1 (de) * 2013-03-13 2014-09-18 Volkswagen Ag Endplatte mit elastischer Schicht sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
US20150068416A1 (en) * 2013-09-11 2015-03-12 Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. Low profile laminate assemblies
JP6194342B2 (ja) * 2015-10-14 2017-09-06 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
KR102371046B1 (ko) * 2016-07-15 2022-03-07 현대자동차주식회사 연료전지용 엔드셀 히터
JP6772861B2 (ja) * 2017-01-30 2020-10-21 株式会社デンソー 燃料電池セルスタック
CN111194498B (zh) * 2017-09-22 2023-03-24 日产自动车株式会社 弹簧构件、燃料电池单元以及燃料电池堆
TWI662734B (zh) * 2018-01-18 2019-06-11 車王電子股份有限公司 Battery holder and its side frame
CN108489448A (zh) * 2018-03-04 2018-09-04 北京氢璞创能科技有限公司 压力纸在燃料电池上的应用
KR102659051B1 (ko) * 2018-08-20 2024-04-19 현대자동차주식회사 연료 전지
EP3921887B1 (en) 2019-02-07 2023-11-22 EH Group Engineering AG Fuel cell stack with compression means
DE102020205272A1 (de) * 2020-04-27 2021-10-28 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Spannvorrichtung und Verfahren zum Spannen des Systems
CN113791243A (zh) * 2021-08-03 2021-12-14 广东电网有限责任公司广州供电局 一体式燃料电池夹具及检测装置

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4997728A (ja) 1972-12-28 1974-09-17
JPS61248368A (ja) 1985-04-25 1986-11-05 Mitsubishi Electric Corp 積層形燃料電池の締付装置
JP2566757B2 (ja) 1986-05-19 1996-12-25 ヤマハ発動機株式会社 燃料電池
US4973531A (en) 1988-02-19 1990-11-27 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Arrangement for tightening stack of fuel cell elements
EP0444383B1 (en) 1990-03-01 1995-01-04 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Structure for incorporating a fuel cell
DE4309976A1 (de) 1993-03-26 1994-09-29 Daimler Benz Ag Elektrochemische Mehrzellenbatterie
JPH09259916A (ja) 1996-03-19 1997-10-03 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池の締付装置
JPH09270267A (ja) 1996-04-02 1997-10-14 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池
US6057053A (en) 1997-11-25 2000-05-02 Ballard Power Systems Inc. Compression assembly for an electrochemical fuel cell stack
JP4031860B2 (ja) 1998-02-17 2008-01-09 本田技研工業株式会社 締め付け構造を有する燃料電池
JP3388710B2 (ja) 1999-03-16 2003-03-24 三菱電機株式会社 燃料電池
DE19962682A1 (de) 1999-12-23 2001-07-05 Siemens Ag Brennstoffzellenstack, die Verwendung eines Brennstoffzellenstacks und ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstacks
CA2401915C (en) * 2001-09-11 2007-01-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer elecrolyte fuel cell
US6797425B2 (en) * 2002-12-24 2004-09-28 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell stack compressive loading system
JP4639583B2 (ja) 2003-03-06 2011-02-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
CN1536698B (zh) * 2003-04-02 2010-12-15 松下电器产业株式会社 燃料电池用电解质膜结构、mea结构及燃料电池
JP2004362940A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Yuasa Corp 燃料電池セルスタック
JP4956890B2 (ja) 2003-11-25 2012-06-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
DE102004037678A1 (de) 2004-08-02 2006-03-16 Webasto Ag Brennstoffzellenstapel
JP2006179402A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2007042471A (ja) 2005-08-04 2007-02-15 Toyota Motor Corp 燃料電池スタック
JP2007113707A (ja) * 2005-10-20 2007-05-10 Nhk Spring Co Ltd 固定装置及び固定構造
US7564070B2 (en) 2005-11-23 2009-07-21 Visteon Global Technologies, Inc. Light emitting diode device having a shield and/or filter
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