WO2006049018A1

WO2006049018A1 - 高分子電解質形燃料電池

Info

Publication number: WO2006049018A1
Application number: PCT/JP2005/019369
Authority: WO
Inventors: Hiroki Kusakabe; Kazuhito Hatoh; Toshihiro Matsumoto; Norihiko Kawabata; Yoshiki Nagao
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2006-05-11

Abstract

　反応ガスの供給管および排出管とエンドプレートとの物理的な接触によりエンドプレートからの放熱を回避するようにして、十分に加湿された反応ガスを安定して供給することができ、しかも熱効率が向上した燃料電池を提供する。単電池の積層体、並びに積層体をバネを介して挟持する一対のエンドプレートを具備し、積層体は、その端部に燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却流体をそれぞれ供給および排出するための供給管および排出管を単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びるように設ける。一対のエンドプレートは、各供給管および排出管と対応する位置には、供給管および排出管を逃がす切欠部を有する。

Description

明細書

高分子電解質形燃料電池

技術分野

[0001] 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される高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特にその締結部の改良に関する。

背景技術

[0002] 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。図 9は、従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。また、図 10は、図 9に示した単電池 101を 2以上積層してなる積層体 110からなる従来の燃料電池 200の側面図である。

[0003] 従来の燃料電池における基本構成である単電池 101は、主として、陽イオン (水素ィオン)を選択的に輸送する高分子電解質膜 111、およびその両面に配置された一対のガス拡散電極 112、 113からなる。電極 112、 113は、電極触媒 (例えば白金金属 )を担持したカーボン粉末に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を混合した触媒層、この触媒層の外面に形成された、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層力構成される。

[0004] そして、燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、ガス拡散電極 (アノードおよび力ソード） 112、 113の周囲には高分子電解質膜 111を挟んでガスケットなどのガスシール材 114が配置される。このシール材 114は、ガス拡散電極 112、 113及び高分子電解質膜 111と一体化され、膜電極接合体 (MEA)を構成する。 MEAの外側には、当該 MEAを機械的に固定するとともに、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セパレータ板 116、 117が配置されている。

[0005] セパレータ板 116、 117の MEAと接触する部分には、それぞれガス拡散電極 112 、 113に反応ガス (燃料ガスまたは酸化剤ガス)を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路 118、 120が形成される。ガス流路 118、 120は、セパレータ板 116、 117と別に設けることもできるが、図 9に示すようにセパレータ板 116、 117の表面に溝を設けてガス流路 118、 120を構成する方式が一般的である。これらの ME Aとセパレータ板 116、 117とが単電池 101を構成し、冷却部（図示せず）を介して M EAとセパレータ板 116、 117を交互に積層して（即ち単電池 101を 10〜200個積層して）、図 10に示す積層体 110が構成される。そして、積層体 110を集電板 122および絶縁板 123を介してエンドプレート 130で挟み、これらを締結用のボルト 135およびナット 136で両端力も固定して高分子電解質形燃料電池 200とするのが一般的である。

[0006] このような積層体 110からなる従来の高分子電解質形燃料電池 200では、セパレータ板 116、 117は、カーボン製の平板で構成され、ガス拡散電極 112、 113に接する面には燃料ガスまたは酸化剤ガスを電極 112、 113に供給する流路 118、 120や燃料電池を冷却するための冷却流体を流通する流路 119、 121が形成されている。

[0007] そして、これらの流路 118、 120に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス用入口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用入口側マ-ホールド（図示せず）、ならびに流路 119、 121に冷却流体を供給するための冷却流体用入口側マ二ホールド (図示せず）が、セパレータ板 116、 117の面内かあるいは外部に設けられ、各マ- ホールドの入口には、燃料ガス用供給管 124、酸化剤ガス用供給管 126および冷却流体用供給管 128が、 MEAのそれぞれ主面の法線方向に対して略平行な方向に延びた状態で接続されてヽる。

[0008] さらに、これらの流路 118、 120から燃料ガスおよび酸化剤ガスを排出するための燃料ガス用出口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用出口側マ-ホールド（図示せず )、ならびに流路 119、 121から冷却流体を排出するための冷却流体用出口側マ二ホールド（図示せず）が、セパレータ板 116、 117の面内かあるいは外部に設けられ、各マ-ホールドの出口には、燃料ガス用排出管 125、酸化剤ガス用排出管 127および冷却流体用排出管 129が、 MEAのそれぞれ主面の法線方向に対して略平行な方向に延びた状態で接続されて！、る。

[0009] 以上のような構成を有する従来の高分子電解質形燃料電池 200では、エンドプレート 130が平板状であり、上述の燃料ガス用供給管 124、酸化剤ガス用供給管 126 および冷却流体用供給管 128、燃料ガス用排出管 125、酸化剤ガス用排出管 127 および冷却流体用排出管 129が、エンドプレート 130に一体的に結合されたり、または、エンドプレート 130と物理的に接触するように構成されたりしているのが一般的であった (例えば特許文献 1)。

特許文献 1：特開平 9— 22720号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] し力しながら、従来の高分子電解質形燃料電池 200においては、次のような改善すべき点があった。即ち、高分子電解質膜 111が水分を吸収した状態で高い導電性を示すため、燃料電池には反応ガスはあら力じめ加湿した状態で供給されている。特に、燃料電池の性能の安定性や耐久性を考慮すると、供給する反応ガスは相対湿度 100%以上であることが望ましぐ加湿されたガスを結露させな、ために配管を保温する必要がある。そのため、上述の従来技術におけるように供給管および排出管力エンドプレート 130と一体に結合されていたり、物理的に接触させたりして構成されていると、エンドプレート 130が上述の供給管および排出管の熱を奪い、供給管においては反応ガス中の加湿用の水蒸気成分の結露が生じ、 MEAに供給される反応ガスの水分量が減少してしまう。

[0011] また、結露によって生じた凝縮水がセパレータ板 116、 117のガス流路 118、 120 に供給されるため、ガス流路 118、 120にフラッデイングが発生して水詰まりが生じ、反応ガスの供給を阻害してしまう場合もあり、十分な信頼性を得るには未だ改善の余地があった。

更には、燃料電池をコージェネレーションの目的に使用する場合は、排出ガスや冷却流体の熱は回収することが熱効率の面力望まし、のにもかかわらず、排出管の熱がエンドプレート 130によって奪われると、回収できる熱の量が減少し、熱回収効率が低下してしまっていた。

[0012] 本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、エンドプレートが燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管から熱を奪うことを防止し、上記の供給管における反応ガスの水分の結露や、セパレータ板のガス流路におけるフラッデイングを抑制して安定な運転を容易に可能とするとともに、排出ガスや冷却流体力の効率的な熱回収を可能とする信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0013] 上記課題を解決すベぐ本発明は、

高分子電解質膜および高分子電解質膜を挟むアノードおよび力ソードを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持して配置されたアノード側セパレータ板およびカソ一ド側セパレータ板とを含む単電池を有する積層体、並びに積層体を挟持する一対のエンドプレートを具備する燃料電池であって、

積層体は、単電池に燃料ガスを供給および排出するための燃料ガス用入口側マ- ホールドおよび燃料ガス用出口側マ-ホールド、並びに単電池に酸化剤ガスを供給および排出するための酸化剤ガス用入口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用出口側マ-ホールドを有し、

積層体の端部にお、て、燃料ガス用入口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用入口側マ-ホールドの入口には、それぞれ単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びる燃料ガス用供給管および酸化剤ガス用供給管が接続され、燃料ガス用出口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用出口側マ-ホールドの出口には、それぞれ単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びる燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用供給管が接続され、

一対のエンドプレートは、燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管と対応する位置に、燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管を逃がす切欠部を有すること、を特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。

[0014] ここで、本発明における「積層体」は、単電池 1つ力なる積層体であっても、 2以上の単電池力もなる積層体であっても構わない。通常は、 1または 2以上の単電池の両側に、集電板および絶縁板を配置することによって積層体を構成する。

また、本発明における単電池力もなる積層体の「端部」とは、積層体の両側の端部のうちいずれであっても構わない。即ち、本発明における積層体は、燃料ガス用入口側マ-ホールド、燃料ガス用出口側マ-ホールド、酸化剤ガス用入口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用出口側マ-ホールドを有し、これらに燃料ガス用供給管、酸ィ匕剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管がそれぞれ接続されるが、燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管は、それぞれ一方の端部および他方の端部のいずれに設けられていてもよい。

[0015] 更に、本発明における「単電池の主面の法線方向と略平行な方向」とは、法線方向と平行な方向だけでなぐ法線方向と略平行な方向、即ち、少なくとも法線方向と平行な方向を部分的に含む方向をも意味する。

より具体的には、本発明における上述の燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管は、単電池の主面の法線方向と平行な方向に反応ガスが流れる部分を有して、ればよぐ例えば法線方向に対して斜めに延びる部分や垂直に延びる部分を有して、ても構わな、。

[0016] また、本発明における「燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管を逃がす」とは、本発明におけるエンドプレートが、燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管に接触しないような形状を有することを意味する。

[0017] 本発明の高分子電解質形燃料電池においては、エンドプレートが上記のような構成をとることにより、燃料ガス用供給管、酸化剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管がエンドプレートと物理的に接触しないため、上記の供給管および排出管力の熱がエンドプレートにより奪われることがなぐ上記の供給管および排出管におけるガスの水分の結露ゃセパレータ板のガス流路におけるフラッデイングを抑制することができるとともに、排出ガスや冷却流体からの熱回収を効率的なちのとすることがでさる。

発明の効果

[0018] 以上のように、本発明によれば、エンドプレートの形状を、燃料ガス用供給管、酸ィ匕剤ガス用供給管、燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用排出管に接触しないような形状とすることにより、上記の供給管および排出管力の熱がエンドプレートによって奪われることを確実に防止し、上記の供給管および排出管におけるガスの水分の結露ゃセパレータ板のガス流路におけるフラッデイングを抑制することによって、安定した運転が行えるとともに、排出ガスや冷却流体からの効率的な熱回収を可能とする信頼性の高い高分子電解質形燃料電池を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。

[図 2]本発明の第一実施形態の高分子電解質形燃料電池の側面図である。

[図 3]図 2に示される本発明の第一実施形態の高分子電解質形燃料電池の正面図である。

圆 4]図 2に示される本発明の第一実施形態の高分子電解質形燃料電池の背面図である。

[図 5]本発明の第二実施形態の高分子電解質形燃料電池の正面図である。

[図 6]本発明の第三実施形態の高分子電解質形燃料電池の正面図である。

[図 7]本発明の第四実施形態の高分子電解質形燃料電池の正面図である。

[図 8]本発明の第五実施形態の高分子電解質形燃料電池の正面図である。

[図 9]従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。

[図 10]従来の高分子電解質形燃料電池の側面図である。

発明の実施するための最良の形態

[0020] 以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することちある。

[第一実施形態]

図 1は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。また、図 2は、単電池 1を 2以上積層してなる積層体 10からなる本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の側面図である。また、図 3は、図 2に示される本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の正面図（矢印 Xの方向から見た図）であり、図 4は、図 2に示される本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の背面図（矢印 Yの方向力見た図）である。

[0021] 本発明の高分子電解質形燃料電池における単電池 1は、図 1に示すように、基本的には、陽イオン (水素イオン)を選択的に輸送する高分子電解質膜 11、およびその両面に配置された一対のガス拡散電極 12、 13からなる。ガス拡散電極 12、 13は、主として触媒層と当該触媒層の外面に配置されたガス拡散層とを具備する。触媒層は、電極触媒 (例えば白金金属)を担持したカーボン粉末と水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物で構成されている。また、ガス拡散層は、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーで構成されて、る。

[0022] ガス拡散電極 (アノードおよび力ソード） 12、 13の周囲には、供給する燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、高分子電解質膜 11を挟んでガスケットなどのガスシール材 14が配置される。このシール材 14は、ガス拡散電極 12、 13及び高分子電解質膜 11と一体化され、膜電極接合体 (MEA)を構成する。 MEAの外側には、当該 MEAを機械的に固定するとともに、隣接する MEAを互ヽ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 16、 17が配置される。

[0023] アノード側および力ソード側のセパレータ板 16、 17の MEAと接触する部分には、それぞれガス拡散電極 12、 13に反応ガス (燃料ガスおよび酸化剤ガス)を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路 18、 20が形成された構成となってヽる。ガス流路 18、 20は、セパレータ板 16、 17と別に設けることもできる力本実施形態においては、図 1に示すようにセパレータ板 16、 17の表面に溝を設けてガス流路 18、 20が構成されている。

[0024] これらの MEAとセパレータ板 16、 17とが単電池を構成し、冷却部（図示せず）を介して MEAとセパレータ板 16、 17を交互に積層して、即ち単電池 1を 10〜200個積層して、積層体 10が構成される。この積層体 10を集電板 22および絶縁板 23を介してエンドプレート 30で挟み、これらを締結用のボルト 35およびナット 36で両端から固定することによって、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100が構成されている。

[0025] このような積層体 10からなる本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100では、セパレータ板 16、 17は、カーボン製または金属製の平板で構成されている。また、ガス拡散電極 12、 13に接する面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスをガス拡散電極 12、 1 3に供給する流路 18、 20、ならびに高分子電解質形燃料電池 100を冷却するための冷却流体 (例えば冷却水）を流通させるための流路 19、 21が形成されている。

[0026] セパレータ板 16、 17の面内には、これらの流路 18、 20に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス用入口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用入口側マ- ホールド（図示せず）、ならびに流路 19、 21に冷却流体を供給するための冷却流体用入口側マ-ホールド（図示せず）が設けられている。そして、図 2に示すように、積層体 10の端部における各マ-ホールドの入口には、燃料ガス用供給管 24、酸化剤ガス用供給管 26および冷却流体用供給管 28が、 MEA、即ち単電池 1の主面の法線方向に対して略平行な方向に延びた状態で接続されて、る。

[0027] また、セパレータ板 16、 17の面内には、流路 18、 20から燃料ガスおよび酸化剤ガスを排出するための燃料ガス用出口側マ-ホールドおよび酸化剤ガス用出口側マ- ホールド（図示せず）、ならびに流路 19、 21から冷却流体を排出するための冷却流体用出口側マ二ホールド（図示せず）が設けられている。

より具体的には、単電池 1を構成するアノード側のセパレータ板 16は、アノード 12と対向する面に燃料ガスの流路 18を有し、背面には冷却流体の流路 19を有する。また、単電池 1を構成する力ソード側のセパレータ板 17は、力ソード 13と対向する面に酸化剤ガスの流路 20を有し、背面には冷却流体の流路 21を有する。

[0028] 燃料ガスの流路 18は、燃料ガス用供給管 24に連通する入口側マ-ホールドと、燃料ガス用排出管 25に連通する出口側マ-ホールドと、を連絡する。また、酸化剤ガスの流路 20は、酸化剤ガス用供給管 26に連通する入口側マ-ホールドと、酸化剤ガス用排出管 27に連通する出口側マ-ホールドと、を連絡する。

[0029] そして、アノード側のセパレータ板 16とこれに隣接する力ソード側のセパレータ板 17 との間には、流路 19と流路 21とによって 1つの冷却流体の流路が形成され、この冷却流体の流路は、冷却流体用供給管 28に連通する入口側マ二ホールドと、冷却流体用排出管 29に連通する出口側マ-ホールドと、を連絡する。

[0030] ここで、本実施形態においては、図 3に示すように、燃料ガス用供給管 24、酸化剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29が積層体 10の正面側（図 2における左側）の端部に取り付けられている。また、図 4に示すように、積層体 10の背面側（図 2 における右側）の端部には、燃料ガス用排出管 25、酸化剤ガス用供給管 26および冷却流体用供給管 28が取り付けられている。

[0031] 即ち、積層体 10の端部における各マ-ホールドの出口には、燃料ガス用排出管 25 、酸化剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29が、 MEA、即ち単電池 1の主面の法線方向に対して略平行な方向に延びた状態で接続されており、積層体 10の端部における各マ-ホールドの入口には、燃料ガス用供給管 24、酸化剤ガス用供給管 26および冷却流体用供給管 28が、 MEA、即ち単電池 1の主面の法線方向に対して略平行な方向に延びた状態で接続されて!、る。

[0032] ここで、上述のように、従来の高分子電解質形燃料電池においては、絶縁板の外側に重ね合わせたエンドプレートに、単電池へ反応ガスおよび冷却流体を供給および排出するための供給管および排出管が取り付けられたり、または、当該エンドプレートに、上記の供給管および排出管が物理的に接触する構造がとられたりしていたため、上記の供給管および排出管の熱がエンドプレートにより奪われ、ガスの水分の結露やガス流路におけるフラッデイングを生じさせてしまうとともに、排出ガスや冷却流体からの熱回収の効率が低下してしまうという問題があった。

[0033] これに対し、本発明の高分子電解質形燃料電池 100におけるエンドプレート 30として、図 3および図 4に示されるような構造を有するエンドプレート 1Aおよび 1Bを用いる。エンドプレート 1A、 IBはパネ 37を介して積層体 10を挟持するものであり、可撓性を有する板材に部分的な切欠部を設けることによって作製されたものである。なお、パネ 37は、エンドプレート 1A、 IBに、例えばパネ 37に対応する形状を有する溝またはくぼみ（図示せず)を設け、当該溝またはくぼみにはめ込むことによって位置決めされている。

[0034] エンドプレート 1A、 IBは、積層体 10の四隅に設けたボルト孔に対応して四隅にボルト孔を有するように構成されている。正面側のエンドプレート 1 Aは、燃料ガス用供給管 24および酸化剤ガス用排出管 27に対応する左側の端に切欠部 2Aを有し、冷却流体用排出管 29に対応する下側の端に切欠部 3Aを有している。即ち、切欠部 2A および 3Aにより、エンドプレート 1Aは、燃料ガス用供給管 24、酸化剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29と物理的に接触しない構成を有している。

[0035] また、背面側のエンドプレート 1Bは、燃料ガス用排出管 25および酸化剤ガス用供給管 26に対応する部分の端に切欠部 2Bを設け、冷却流体用供給管 28に対応する上側の端に切欠部 3Bを有している。即ち、切欠部 2Bおよび 3Bにより、エンドプレート 1 Bは、燃料ガス用排出管 25、酸化剤ガス用供給管 26および冷却流体用供給管 28と物理的に接触しな、構成を有して、る。

[0036] 上記のエンドプレート 1A、 IBは、適度の弾性を有する板材を打ち抜き加工することにより作製することができる。例えば、単電池 1の端面の形状である正方形または長方形に合わせた形状の板材を、中心部に対して点対称となるように打ち抜きにより作製するのが好ましい。打ち抜き加工によれば、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却流体の供給管および排出管との接触をなくすために、これらの管を逃がす切欠部 2Aおよび切欠部 2Bを容易かつ確実に形成することができる。また、中心部および四隅の締結ボルトを取り付ける部分などがバランスよく配置されるように切欠部 2Aおよび切欠部 2Bを設けることにより、エンドプレート 1A、 IBに適度の可撓性を付与することができる。

[0037] 本実施形態においては、エンドプレート 1A、 IBが上記のような構成を有することにより、積層体 10の端部に取り付けられている燃料ガス用供給管 24、燃料ガス用排出管 25、酸化剤ガス用供給管 26、酸化剤ガス用排出管 27、冷却流体用供給管 28および冷却流体用排出管 29とは接触しない。したがって、エンドプレート 1A、 IBは、これら供給管および排出管力も熱を奪うことがなぐ上記の供給管および排出管を流れる反応ガスの加湿のための水蒸気の凝縮を防止することができ、かつ排出される反応ガスおよび冷却流体はそれらの熱量を保持し続けることができる。また、エンドプレート 1A、 IBの平面部分において、パネ 37の位置を比較的自由に選択することができる。

[0038] 以上のように、本実施形態によれば、反応ガスの流路における結露によるフラッディングを抑制するとともに、高分子電解質形燃料電池の熱効率を向上させることが可能となる。即ち、上記の供給管および排出管はエンドプレート 1A、 IBと熱的に無関係となる力ら、エンドプレート 1A、 IBを介しての放熱が回避され、その結果、エンドプレート 1A、 IBを介しての放熱により生じていた加湿水の結露や高分子電解質形燃料電池の熱的損失などの不都合を軽減することができる。

[0039] [第二実施形態]

次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図 2に示した第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100に於けるエンドプレート 30を異なる構成に代えたものであり、エンドプレート以外の構成は第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100と同様である。

以下、第二実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるエンドプレート (本発明のエンドプレートの第二実施形態）について説明する。図 5は、図 2に示される本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の正面図（矢印 Xの方向力も見た図）である。

[0040] 本実施形態において、パネ 37を介して積層体 10を挟持する一対のエンドプレート 30は、可撓性を有する板材を打ち抜き加工により作製されたものであり、単電池 1の形状 (正方形）に合わせて、その四隅に設けたボルト孔に対応するボルト孔をもつ 4 個の帯状の部片 31を有する十字状の形状を有する。即ち、切欠部 30A、 30B、 30C および 30Dにより、エンドプレート 30は、燃料ガス用供給管 24、酸化剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29と物理的に接触しない構成を有している。

[0041] 積層体 10およびエンドプレート 30の四隅にあるボルト孔に遊合させたボルト 35の先端に、ナット 36が螺合され、エンドプレート 30と積層体 10の端部との間に介在させたパネ 37によって常時積層体 10に締結圧を印加することによって、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100が構成されている。ここで、パネ 37は、エンドプレート 30 の中心部に配置されるものと、 4つの部片 31の前記中心部力等距離のところに配置されるものとの計 5個が用いられて、る。

[0042] 積層体 10に生じた局所的な歪みに基づく応力をエンドプレート 30の橈みにより効果的に緩和するには、図 5に示すように、エンドプレート 30は、その中心部に対して点対称の形状を有し、締結具が装着される位置およびパネ 37が装着される位置が、上記の中心部に対して点対称に配置されていることが好ましい。また、エンドプレート

30は、積層体 10に取り付けられている燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却流体の供給管および排出管とは接触しない。

なお、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の背面側（図 2の矢印 Y側）におけるエンドプレートも、上記のエンドプレート 30と同じ形状を有する。

[0043] 以上のように構成された本実施形態の高分子電解質形燃料電池にお!ヽては、上述した第一実施形態と同様に、反応ガスの流路における結露によるフラッデイングを抑制するとともに、高分子電解質形燃料電池の熱効率を向上させることが可能となる。即ち、上記の供給管および排出管はエンドプレート 30と物理的に接触せず熱的に無関係となるから、エンドプレート 30を介しての放熱が回避され、その結果、エンドプレート 30を介しての放熱により生じていた加湿水の結露や高分子電解質形燃料電池の熱的損失を軽減することができる。

[0044] また、本実施形態においては、締結具として一対のエンドプレート 30を締結するボルト 35およびナット 36による締結圧がパネ 37を介して積層体 10に常時印加される。エンドプレート 30は、十字状の形状をしており、帯状の 4個の部片 31はそれぞれ他の部片とは独立して橈み得るよう可撓性を有している。したがって、熱膨張などの理由で、積層体 10に局所的な歪が生じた場合でも、その歪みが加わるパネ 37に対応するエンドプレート 30の部分が橈むことができる。このようにして、締結具による締結圧を受ける積層体 10からの各パネ 37に対する反力の差が当該エンドプレート 30の橈みにより吸収される。

[0045] [第三実施形態]

次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図 2に示した第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100に於けるエンドプレート 30を異なる構成に代えたものであり、エンドプレート以外の構成は第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100と同様である。

以下、第三実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるエンドプレート (本発明のエンドプレートの第三実施形態）について説明する。図 6は、図 2に示される本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の正面図（矢印 Xの方向力も見た図）である。

[0046] 本実施形態におけるエンドプレート 40は、図 6に示すように、中央の正方形の部分 41と、帯状の 4個の部片 42とからなり、部片 42は、部分 41の角部から、当該角部と部分 41の中心とを結ぶ線上を、外側に延びるように構成されている。即ち、切欠部 4 OA、 40B、 40Cおよび 40Dにより、エンドプレート 40は、燃料ガス用供給管 24、酸ィ匕剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29と物理的に接触しない構成を有している。

[0047] また、部片 42は積層体 10の四隅に設けたボルト孔と対応する位置にボルト孔を有する。エンドプレート 40と積層体 10との間に介在させるパネ 37は、計 9個配置されており、部分 41の中心部、 4つの角部近傍、および隣接する角部近傍のパネとパネとの間に配されている。

[0048] 即ち、本実施形態のエンドプレート 40は、上記の第二実施形態と同様に、その中心部に対して点対称の形状を有し、締結具が装着される位置およびパネ 37が装着される位置力上記の中心部に対して点対称に配置されている。

なお、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の背面側（図 2の矢印 Y側）におけるエンドプレートも、上記のエンドプレート 40と同じ形状を有する。

[0049] 以上のように構成された本実施形態の高分子電解質形燃料電池においては、上述した第一実施形態と同様に、反応ガスの流路における結露によるフラッディングを抑制するとともに、高分子電解質形燃料電池の熱効率を向上させることが可能となる。即ち、上記の供給管および排出管はエンドプレート 40と熱的に無関係となるから、ェンドプレート 40を介しての放熱が回避され、その結果、エンドプレート 40を介しての放熱により生じていた加湿水の結露や高分子電解質形燃料電池の熱的損失などの不都合を軽減することができる。

[0050] また、本実施形態にぉ、ては、締結具として一対のエンドプレート 4を締結するボルト 35およびナット 36による締結圧がパネ 37を介して積層体 10に常時印加される。ェンドプレート 40は、略十字状の形状をしており、帯状の 4個の部片 42はそれぞれ他の部片とは独立して橈み得るよう可撓性を有している。したがって、熱膨張などの理由で、積層体 10に局所的な歪が生じた場合でも、その歪みが加わるパネ 37に対応するエンドプレート 40の部分が橈むことができる。このようにして、締結具による締結圧を受ける積層体 10からの各パネ 37に対する反力の差が当該エンドプレート 40の橈みにより吸収される。

[0051] [第四実施形態]

次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図 2に示した第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100に於けるエンドプレート 30を異なる構成に代えたものであり、エンドプレート以外の構成は第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100と同様である。

以下、第四実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるエンドプレート (本発明のエンドプレートの第四実施形態）について説明する。図 7は、図 2に示される本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の正面図（矢印 Xの方向力も見た図）である。

[0052] 本実施形態におけるエンドプレート 50は、図 7に示すように、中央の正方形の部分 51と、帯状の 4個の部片 52とからなり、部片 52は、部分 51の角部から、当該角部と部分 51の中心とを結ぶ線上を、外側に延びるように構成されている。即ち、切欠部 5 0A、 50B、 50Cおよび 50Dにより、エンドプレー卜 50は、燃料ガス用供給管 24、酸ィ匕剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29と物理的に接触しない構成を有している。

[0053] また、部片 52は積層体 10の四隅に設けたボルト孔と対応する位置にボルト孔を有する。そして、エンドプレート 50の中央の部分 51に、 4つの略正三角形の開口部 53 が設けられている。さらに、上記の第三実施形態と同様に、エンドプレート 50と積層体 10との間に介在させるパネ 37は、計 9個配置されており、部分 41の中心部、 4つの角部近傍、および隣接する角部近傍のパネとパネとの間に配されている。

[0054] 即ち、本実施形態のエンドプレート 50は、上記の第二実施形態と同様に、その中心部に対して点対称の形状を有し、締結具が装着される位置およびパネ 37が装着される位置力上記の中心部に対して点対称に配置されている。なお、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の背面側（図 2の矢印 Y側）におけるエンドプレートも、上記のエンドプレート 50と同じ形状を有する。

[0055] 以上のように構成された本実施形態の高分子電解質形燃料電池においては、上述した第一実施形態と同様に、反応ガスの流路における結露によるフラッディングを抑制するとともに、高分子電解質形燃料電池の熱効率を向上させることが可能となる。即ち、上記の供給管および排出管はエンドプレート 50と熱的に無関係となるから、ェンドプレート 50を介しての放熱が回避され、その結果、エンドプレート 50を介しての放熱により生じていた加湿水の結露や高分子電解質形燃料電池の熱的損失などの不都合を軽減することができる。

[0056] また、本実施形態においては、締結具として一対のエンドプレート 50を締結するボルト 35およびナット 36による締結圧がパネ 37を介して積層体 10に常時印加される。エンドプレート 50は、略十字状の形状をしており、帯状の 4個の部片 52はそれぞれ他の部片とは独立して橈み得るよう可撓性を有している。したがって、熱膨張などの理由で、積層体 10に局所的な歪が生じた場合でも、その歪みが加わるパネ 37に対応するエンドプレート 50の部分が橈むことができる。このようにして、締結具による締結圧を受ける積層体 10からの各パネ 37に対する反力の差が当該エンドプレート 50 の橈みにより吸収される。

[0057] さらに本実施形態によれば、エンドプレート 50が先に述べたような略正三角形の開口部 53を有することにより、積層体 10を締結して高分子電解質形燃料電池 100を構成した場合における、エンドプレート 50の面内における橈みの量 (即ち橈みの程度）を調整することができ、エンドプレート 50の橈みをその面内においてより容易に均一ィ匕させることができ、橈み部分の偏在化をより確実に抑制することができる。

[0058] [第五実施形態]

次に、本発明の高分子電解質形燃料電池の第五実施形態について説明する。この第五実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図 2に示した第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100に於けるエンドプレート 30を異なる構成に代えたものであり、エンドプレート以外の構成は第一実施形態の高分子電解質形燃料電池 100と同様である。以下、第五実施形態の高分子電解質形燃料電池に備えられるエンドプレート (本発明のエンドプレートの第五実施形態）について説明する。図 8は、図 2に示される本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の正面図（矢印 Xの方向力も見た図）である。

[0059] 本実施形態におけるエンドプレート 60は、図 8に示すように、中央の円形の部分 61 と、 4個の帯状の部片 62とからなり、部片 62は、部分 61の周縁部から、放射状に延びるように構成されている。良口ち、切欠咅 60A、 60B、 60Cおよび 60Dにより、エンドプレート 50は、燃料ガス用供給管 24、酸化剤ガス用排出管 27および冷却流体用排出管 29と物理的に接触しない構成を有している。

[0060] また、部片 62は積層体 10の四隅に設けたボルト孔と対応する位置にボルト孔を有し、エンドプレート 60の中央の部分 61は円形である。さらに、上記の第三実施形態と同様に、エンドプレート 60と積層体 10との間に介在させるパネ 37は、計 9個配置されており、部分 61の中心部、 4つの角部近傍、および隣接する角部近傍のパネとパネとの間に配されている。

[0061] 即ち、本実施形態のエンドプレート 60は、上記の第二実施形態と同様に、その中心部に対して点対称の形状を有し、締結具が装着される位置およびパネ 37が装着される位置力上記の中心部に対して点対称に配置されている。

なお、本実施形態の高分子電解質形燃料電池 100の背面側（図 2の矢印 Y側）におけるエンドプレートも、上記のエンドプレート 60と同じ形状を有する。

[0062] 以上のように構成された本実施形態の高分子電解質形燃料電池においては、上述した第一実施形態と同様に、反応ガスの流路における結露によるフラッディングを抑制するとともに、高分子電解質形燃料電池の熱効率を向上させることが可能となる。即ち、上記の供給管および排出管はエンドプレート 60と熱的に無関係となるから、ェンドプレート 60を介しての放熱が回避され、その結果、エンドプレート 60を介しての放熱により生じていた加湿水の結露や高分子電解質形燃料電池の熱的損失などの不都合を軽減することができる。

[0063] また、本実施形態においては、締結具として一対のエンドプレート 60を締結するボルト 35およびナット 36による締結圧がパネ 37を介して積層体 10に常時印加される。エンドプレート 60は、略十字状の形状をしており、帯状の 4個の部片 62はそれぞれ他の部片とは独立して橈み得るよう可撓性を有している。したがって、熱膨張などの理由で、積層体 10に局所的な歪が生じた場合でも、その歪みが加わるパネ 37に対応するエンドプレート 60の部分が橈むことができる。このようにして、締結具による締結圧を受ける積層体 10からの各パネ 37に対する反力の差が当該エンドプレート 60 の橈みにより吸収される。

[0064] 以上、本発明の実施形態について詳細に説明した力本発明は上述した各実施形態に限定されるものではな、。

例えば、上述の各実施形態においては、積層体 10の両側に配するエンドプレートの形状を同一としたが、本発明の効果を損なわない範囲であれば、一方の側と他方の側とで異なる形状のエンドプレートを用いることも可能である。

[0065] また、上記実施形態においては、アノード側セパレータ板と隣接する力ソード側セパレータ板との間に、冷却流体の入口側マ-ホールドと出口側マ-ホールドとを連絡するように、冷却流体の流路を有するよう構成したが、各単電池間に冷却流体の流路を設けず、例えば 2セル毎に冷却流体の流路を設けてもよい。そのような場合、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有するアノード側セパレータ板と力ソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータ板を併用することも可能である。

実施例

[0066] 以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。

《実施例 1〜5》

まず、 30nmの平均一次粒子径を持つ導電性カーボン粒子（オランダ国、 AKZO Chemie社：ケッチェンブラック EC)に、平均粒径約 30 Aの白金粒子を 50重量％担持させた。これを力ソード側の触媒粉末とした。また、上記と同じ導電性カーボン粒子に、平均粒径約 30Aの白金粒子とルテニウム粒子とを、それぞれ 25重量％担持させた。これをアノード側の触媒粉末とした。

[0067] これらの触媒粉末をそれぞれイソプロパノールに分散させ、得られた分散液に、パ一フルォロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、力ソード触媒用ペーストおよびアノード触媒用ペーストを調製した。力ソード触媒用ペーストを原料とし、スクリーン印刷法を用いて、厚み 250 μ mのカーボン不織布の一方の面に塗ェして力ソード触媒層を形成し、アノード触媒用ペーストを原料とし、スクリーン印刷法を用いて、厚み 250 mの別のカーボン不織布の一方の面に塗工してアノード触媒層を形成した。こうして形成した電極中に含まれる触媒金属量は 0. 5mg/cm²、パーフルォロカーボンスルホン酸の量は 1. 2mgZcm²であった。

[0068] 次に、これらのアノード触媒層を有するカーボン不織布および力ソード触媒層を有するカーボン不織布を、これらの電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性の高分子電解質膜の中心部の両面に、各触媒層が高分子電解質膜と接するようにホットプレスによって接合した。高分子電解質膜としては、パーフルォロカーボンスルホン酸を薄膜ィ匕したもの (米国デュポン社製のナフイオン 112 (商品名））を用いた。さらに、電極の外周には、高分子電解質膜を挟んで、セパレータ板の外周部とほぼ同じ形状に打ち抜かれたガスケットをホットプレスによって接合し、 MEAを作製した。

[0069] この MEAにアノード側セパレータ板および力ソード側セパレータ板を組み合わせた単電池を 60個積層して積層体を得、その両端にそれぞれ集電板および絶縁板を重ね合わせ、一対のエンドプレート、パネおよび締結具を用いて図 2示す構造を有する高分子電解質形燃料電池を構成した。

ここで、実施例 1〜5においては、上記第一実施形態〜第五実施形態におけるエンドプレートを用い、積層体 10にカ卩わる締結荷重は 750kgfとした。

[0070] 《比較例 1》

また、エンドプレートとして、従来力も用いられている正方形の平板状のエンドプレートを用いた他は、実施例 1と同様にして比較用の高分子電解質形燃料電池を作製した。ただし、配管およびパネの位置は、第二実施形態と同様とした。

[0071] [評価試験 1]

これらの高分子電解質形燃料電池アノードには水素ガスを、力ソードには空気を、それぞれ露点が 75°Cとなるように加湿して供給し、冷却水の入口温度を 80°C、燃料利用率を 80%、空気利用率を 40%に調整した。そして、電流密度を 0. 2AZcm²にして初期電圧 (mV)を測定した。結果を表 1に示した。なお、このときガスの利用率が上述の値になるようにガス量を調節した。

[0072] [評価試験 2]

次に、劣化率 VZhr)を、上述の運転状態で、 1000時間連続運転した時の電圧低下量力も算出するという方法で測定した。結果を表 1に示した。

[0073] [評価試験 3]

また、冷却流体によって回収された熱量 (W)を、冷却水の流量 (LZhr)、比熱 CFZ kg-k)、及び、温度上昇 (K)を用いて算出するという方法で測定した。結果を表 1に示した。

[0074] [表 1]

[0075] 表 1から、本発明の実施形態における高分子電解質形燃料電池においては、比較例に比べて初期電圧が向上し、劣化率が低下し、かつ回収熱量が増加していることが確認された。

産業上の利用可能性

[0076] 以上のように、本発明によれば、反応ガスや冷却流体の供給管および排出管の熱をエンドプレートを介して放出するのを回避し、高分子電解質形燃料電池に十分な水蒸気を供給することができる。また、高分子電解質形燃料電池の熱回収効率を向上することができる。したがって、本発明による高分子電解質形燃料電池は、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有用である

Claims

請求の範囲

[1] 高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟むアノードおよび力ソードを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持して配置されたアノード側セパレータ板および力ソード側セパレータ板とを含む単電池を有する積層体、並びに前記積層体を挟持する一対のエンドプレートを具備する燃料電池であって、

前記積層体は、前記単電池に燃料ガスを供給および排出するための燃料ガス用入口側マ-ホールドおよび燃料ガス用出口側マ-ホールド、並びに前記単電池に酸ィ匕剤ガスを供給および排出するための酸化剤ガス用入口側マ二ホールドおよび酸ィ匕剤ガス用出口側マ-ホールドを有し、

前記積層体の端部にお、て、前記燃料ガス用入口側マ-ホールドおよび前記酸ィ匕剤ガス用入口側マ-ホールドの入口には、それぞれ前記単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びる燃料ガス用供給管および酸化剤ガス用供給管が接続され、前記燃料ガス用出口側マ二ホールドおよび前記酸化剤ガス用出口側マ二ホールドの出口には、それぞれ前記単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びる燃料ガス用排出管および酸化剤ガス用供給管が接続され、

前記一対のエンドプレートの少なくとも一方は、前記燃料ガス用供給管、前記酸ィ匕剤ガス用供給管、前記燃料ガス用排出管および前記酸化剤ガス用排出管と対応する位置に、前記燃料ガス用供給管、前記酸化剤ガス用供給管、前記燃料ガス用排出管および前記酸化剤ガス用排出管を逃がす切欠部を有すること、を特徴とする高分子電解質形燃料電池。

[2] 前記積層体は、前記単電池を冷却する冷却流体を供給するための冷却流体用入口側マ二ホールドおよび前記冷却流体を排出するための冷却流体用出口側マニホ一ノレドを有し、

前記積層体の端部において、前記冷却流体用入口側マ二ホールドの入口には、前記単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びる冷却流体用供給管が接続され、前記冷却流体用出口側マ二ホールドの出口には、前記単電池の主面の法線方向と略平行な方向に延びる冷却流体用排出管が接続され、

前記少なくとも一方のエンドプレートは、前記冷却流体用供給管および前記冷却流体用排出管と対応する位置に、前記冷却流体用供給管および前記冷却流体用排出管を逃がす切欠部を有すること、を特徴とする請求項 1に記載の高分子電解質形燃料電池。