(57)【要約】【課題】  集電体と電極との間の剥離、接触不良等の発生を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池は、電解質膜が一対の電極によって挟持された膜−電極接合体（１０）と、反応ガス透過性を有し、膜−電極接合体の電極に沿って配置された集電体（２０，３０）と、集電体との間に反応ガス流動用の反応ガス空間（４３，５３）を画定するとともに、隣接するセルから反応ガス空間を隔離するためのセパレータ（４０，５０）と、膜−電極接合体およびセパレータを貫通し、一対の電極間で絶縁性を有し、反応ガスまたは冷媒が流動するためのマニホールド（６０，７０）と、マニホールドに設けられ、集電体を膜−電極接合体に押圧する押圧部材（１２０）と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜が一対の電極によって挟持された膜−電極接合体と、
反応ガス透過性を有し、前記膜−電極接合体の電極に沿って配置された集電体と、
前記集電体との間に反応ガス流動用の反応ガス空間を画定するとともに、隣接するセルから前記反応ガス空間を隔離するためのセパレータと、
前記膜−電極接合体および前記セパレータを貫通し、前記一対の電極間で絶縁性を有し、前記反応ガスまたは冷媒が流動するためのマニホールドと、
前記マニホールドに設けられ、前記集電体を前記膜−電極接合体に押圧する押圧部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記押圧部材は、前記マニホールドに設けられたつば部であり、
前記集電体は、前記つば部によって前記膜−電極接合体に対して押圧されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記マニホールドは筒形状を有しており、
前記押圧部材は、前記マニホールドの外周に取付けられたサークリップ型のつば部であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記集電体は、前記膜−電極接合体の膜厚方向にバネ性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、樹脂からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記マニホールドは、複数設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
特許文献１には、集電体が電極の内部に配置された膜−電極接合体を備え、集電体の面方向の先から電力を取り出すことができる燃料電池が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池において集電体とセパレータとの間に膜−電極接合体へ反応ガスを供給するための空間を設けると、特に集電体の面方向中央部付近において剥離、接触不良等が発生してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、集電体と電極との間の剥離、接触不良等の発生を抑制することができる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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜が一対の電極によって挟持された膜−電極接合体と、反応ガス透過性を有し、膜−電極接合体の電極に沿って配置された集電体と、集電体との間に反応ガス流動用の反応ガス空間を画定するとともに、隣接するセルから反応ガス空間を隔離するためのセパレータと、膜−電極接合体およびセパレータを貫通し、一対の電極間で絶縁性を有し、反応ガスまたは冷媒が流動するためのマニホールドと、マニホールドに設けられ、集電体を膜−電極接合体に押圧する押圧部材と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、押圧部材によって集電体が膜−電極接合体に押圧されることから、集電体と電極との間の剥離、接触不良等の発生が抑制される。
【０００８】
上記構成において、押圧部材は、マニホールドに設けられたつば部であり、集電体は、つば部によって膜−電極接合体に対して押圧されていてもよい。上記構成において、マニホールドは筒形状を有しており、押圧部材は、マニホールドの外周に取付けられたサークリップ型のつば部であってもよい。
【０００９】
上記構成において、集電体は、膜−電極接合体の膜厚方向にバネ性を有していてもよい。この構成によれば、押圧部材による押圧力がより強くなる。上記構成において、セパレータは、樹脂からなっていてもよい。この構成によれば、セパレータを軽量化させることができる。上記構成において、マニホールドは、複数設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、集電体と電極との間の剥離、接触不良等の発生を抑制することができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１に係る燃料電池について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池の模式的部分断面図である。図２は、後述するセパレータ５０をＡ方向から見た図である。燃料電池は、複数のセル５が積層された構造を有する。
【００１３】
セル５は、主として膜−電極接合体１０、集電体（アノード集電体２０およびカソード集電体３０）、セパレータ（セパレータ４０およびセパレータ５０）、押圧部材１２０等を備える。また、セル５を貫通するように、ガス用マニホールド（カソードガス供給用マニホールド６０、カソードガス排出用マニホールド７０、アノードガス供給用マニホールド８０およびアノードガス排出用マニホールド９０）および冷媒用マニホールド（冷媒供給用マニホールド１００および冷媒排出用マニホールド１１０）が設けられている。
【００１４】
膜−電極接合体１０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜を挟持するアノード（図示せず）およびカソード（図示せず）と、を備える。電解質膜としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質が用いられる。アノードおよびカソードは、触媒を含有する導電性材料からなる。アノードの触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソードの触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。
【００１５】
アノード集電体２０は、アノードの電解質膜側と反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体３０は、カソードの電解質膜側と反対側の面に沿って配置されている。また、アノード集電体２０およびカソード集電体３０はそれぞれ、後述するアノード空間部４３およびカソード空間部５３に収容されている。また、アノード集電体２０およびカソード集電体３０はそれぞれ、後述する押圧部材１２０によって膜−電極接合体１０側に押圧されている。
【００１６】
アノード集電体２０およびカソード集電体３０は、導電性物質からなり、かつ反応ガス透過性を有する。アノード集電体２０およびカソード集電体３０として、例えば、ラスメタル、金属メッシュ等が用いられる。ラスメタルおよび金属メッシュの場合、反応ガスは、これらを構成する金属線間の隙間を透過することができる。なお、本実施例においては、アノード集電体２０およびカソード集電体３０として、金属メッシュを用いる。
【００１７】
アノード集電体２０およびカソード集電体３０は、膜−電極接合体１０の膜厚方向にバネ性を有することが好ましい。膜厚方向のバネ性を有することによって、押圧部材１２０による押圧力がより強くなるからである。例えばラスメタルおよび金属メッシュは、膜厚方向のバネ性を有している。
【００１８】
セパレータ４０は、膜−電極接合体１０のアノード側に配置されている。セパレータ４０は、セパレータ部材４１と、セパレータ部材４２と、が組み合わされて構成されている。セパレータ部材４１は、膜−電極接合体１０側の面に凹部を有している。セパレータ部材４１が膜−電極接合体１０と接触すると、膜−電極接合体１０とセパレータ部材４１の膜−電極接合体１０側の凹部とでアノード空間部４３が画定される。アノード空間部４３には、アノード集電体２０が収容される。また、アノード空間部４３には、水素を含むアノードガスが流動する。
【００１９】
また、セパレータ部材４１およびセパレータ部材４２のそれぞれには、互いに対向する凹部が形成されている。セパレータ部材４１とセパレータ部材４２とが組み合わされると、上記の互いに対向する凹部によって冷媒空間部４４が画定される。冷媒空間部４４には、冷媒が流動する。
【００２０】
セパレータ５０は、膜−電極接合体１０のカソード側に配置されている。セパレータ５０もセパレータ４０と同様に、セパレータ部材５１とセパレータ部材５２とが組み合わされて構成されている。セパレータ部材５１は、膜−電極接合体１０側の面に凹部を有している。セパレータ部材５１が膜−電極接合体１０と接触すると、膜−電極接合体１０とセパレータ部材５１の膜−電極接合体１０側の凹部とでカソード空間部５３が画定される。カソード空間部５３には、カソード集電体３０が収容される。また、カソード空間部５３には、酸素を含むカソードガスが流動する。
【００２１】
また、セパレータ部材５１およびセパレータ部材５２のそれぞれには、互いに対向する凹部が形成されている。セパレータ部材５１とセパレータ部材５２とが組み合わされると、上記の互いに対向する凹部によって冷媒空間部５４が画定される。冷媒空間部５４には、冷媒が流動する。
【００２２】
セパレータ４０およびセパレータ５０の膜−電極接合体１０と接する側の外周縁部には、それぞれシール部材１３０が配置されている。シール部材１３０として、例えばゴム等が用いられる。セパレータ４０のシール部材１３０はアノードガスの漏出を抑制し、セパレータ５０のシール部材１３０はカソードガスの漏出を抑制する。したがって、セパレータ４０およびセパレータ５０は、反応ガス流動用の反応ガス空間を画定するとともに、隣接するセルから反応ガス空間を隔離している。
【００２３】
なお、詳細については後述するが、本実施例に係る燃料電池によれば、燃料電池が動作するにあたってセパレータ４０およびセパレータ５０は集電機能を有していなくてもよい。したがって、セパレータ４０およびセパレータ５０は、金属等の導電性材料からなる必要がない。例えば、セパレータ４０およびセパレータ５０として、樹脂等を用いてもよい。
【００２４】
カソードガス供給用マニホールド６０は、カソードガスをカソード空間部５３に供給するための配管である。カソードガス供給用マニホールド６０は、少なくとも膜−電極接合体１０と、セパレータ４０およびセパレータ５０と、を貫通している。カソードガス供給用マニホールド６０のカソード空間部５３を貫通する部分には、カソードガス供給孔６１が複数形成されている。カソードガス供給孔６１は、カソードガス供給用マニホールド６０内のカソードガスをカソード空間部５３に流入させる孔である。
【００２５】
カソードガス排出用マニホールド７０は、カソードガスをカソード空間部５３から排出するための配管である。カソードガス排出用マニホールド７０は、少なくとも膜−電極接合体１０と、セパレータ４０およびセパレータ５０と、を貫通している。カソードガス排出用マニホールド７０のカソード空間部５３を貫通する部分には、カソードガス排出孔７１が複数形成されている。カソードガス排出孔７１は、カソード空間部５３のカソードガスをカソードガス排出用マニホールド７０に流入させる孔である。
【００２６】
アノードガス供給用マニホールド８０は、アノードガスをアノード空間部４３に供給するための配管であり、アノードガス排出用マニホールド９０は、アノードガスをアノード空間部４３から排出するための配管である。図示していないが、アノードガス供給用マニホールド８０およびアノードガス排出用マニホールド９０にはそれぞれ、複数のアノードガス供給孔および複数のアノードガス排出孔がアノード空間部４３を貫通する部分に形成されている。
【００２７】
冷媒供給用マニホールド１００は、冷媒を冷媒空間部４４および冷媒空間部５４に供給するための配管である。冷媒排出用マニホールド１１０は、冷媒を冷媒空間部４４および冷媒空間部５４から排出するための配管である。冷媒供給用マニホールド１００および冷媒排出用マニホールド１１０の冷媒空間部４４および冷媒空間部５４を貫通する部分には、冷媒通過用の孔が複数形成されている。
【００２８】
カソードガス供給用マニホールド６０において、膜−電極接合体１０を貫通する部分は絶縁性を有し、その他の部分は導電性を有している。この絶縁性を有する部分を絶縁部６２と称し、導電性を有する部分を導電部６３と称する。絶縁部６２および導電部６３の詳細については、後述する。同様に、他のマニホールドにおいても、膜−電極接合体１０を貫通する部分は絶縁性を有し、その他の部分は導電性を有している。
【００２９】
押圧部材１２０は、ガス用マニホールドおよび冷媒用マニホールドに設けられている。具体的には、押圧部材１２０は、ガス用マニホールドおよび冷媒用マニホールドのアノード空間部４３およびカソード空間部５３を貫通する部分にそれぞれ設けられている。押圧部材１２０は、アノード集電体２０およびカソード集電体３０に対して、膜−電極接合体１０に向かって押圧力を与えている。押圧部材１２０の詳細は、後述する。
【００３０】
図３（ａ）は、カソードガス供給用マニホールド６０のカソードガス供給孔６１付近の拡大断面図である。なお、図３（ａ）において、アノード集電体２０およびカソード集電体３０は省略されている。図３（ａ）に示すように、絶縁部６２は、導電部６３に介挿されている。具体的には、絶縁部６２の両端に、導電部６３が外挿されている。絶縁部６２は、例えば樹脂、ゴム等の絶縁性材料からなり、導電部６３は、例えばＳＵＳ、チタン合金等の導電性材料からなる。ただし、マニホールドのセパレータへの圧入ばめのためには、導電部６３とセパレータとは同じ材料から構成されていることが好ましい。
【００３１】
絶縁部６２によって、膜−電極接合体１０のアノードとカソードとの短絡が抑制される。また、導電部６３によって、隣接するセル間でアノードとカソードとの間の導通を確保することができる。以上のことから、セパレータ４０およびセパレータ５０は集電機能を有していなくてもよい。
【００３２】
セパレータ４０およびセパレータ５０が集電機能を有する必要がないことによって、セパレータ用材料の選択肢が広まる。例えば、軽量化の観点からは、本実施例のようにセパレータ用材料として樹脂を用いることができる。
【００３３】
図３（ｂ）は、押圧部材１２０の平面図である。押圧部材１２０は、集電体を膜−電極接合体１０に押圧可能なようにマニホールドに設けられたつば部である。マニホールドとセパレータとの組み付け性の観点から、マニホールドと押圧部材１２０とは別部材であることが好ましい。また、マニホールドの軸方向への集電体の荷重を受ける部材であることが好ましい。したがって、図３（ｂ）に示すように、押圧部材１２０にサークリップ型のつば部等を用いることが好ましい。本実施例においては、押圧部材１２０は、筒形状のマニホールドに嵌められている。サークリップ型のつば部の材質として、特に限定されないが、例えば耐食性に優れた材質であるＳＵＳ、チタン合金等が用いられる。なお、カソードガス供給用マニホールド６０以外のマニホールドも、図３（ａ）および図３（ｂ）と同様の構造を有している。
【００３４】
図１および図２を参照して、燃料電池は以下のように動作する。アノードガスは、アノードガス供給用マニホールド８０を通ってアノードガス供給孔からアノード空間部４３に流動する。アノード空間部４３に流動したアノードガスは、アノード集電体２０を透過して膜−電極接合体１０のアノードに供給される。アノードにおいて、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離される。プロトンは、膜−電極接合体１０の電解質膜を伝導して、カソードに到達する。電子は、アノード集電体２０によって集電された後に、導電部６３を介して隣接するセル５のカソード側に移動する。
【００３５】
カソードガスは、カソードガス供給用マニホールド６０を通ってカソードガス供給孔６１からカソード空間部５３に流動する。カソード空間部５３に流動したカソードガスは、カソード集電体３０を透過して膜−電極接合体１０のカソードに供給される。カソードにおいては、カソードガス中の酸素と、電解質膜を伝導したプロトンと、導電部６３を介してカソード集電体３０に移動してきた電子と、から水が生成される。以上のように発電が行われる。
【００３６】
冷媒は、冷媒供給用マニホールド１００を通って冷媒空間部４４および冷媒空間部５４に流入する。その後冷媒は、冷媒排出用マニホールド１１０を通って、燃料電池の外部へ流動する。以上のように、燃料電池は動作する。
【００３７】
本実施例に係る燃料電池によれば、押圧部材１２０が膜−電極接合体１０に対してアノード集電体２０およびカソード集電体３０を押圧することから、アノード集電体２０およびカソード集電体３０と膜−電極接合体１０との間の剥離、接触不良等の発生が抑制される。
【００３８】
なお、押圧部材１２０は、集電体を膜−電極接合体１０へ押圧可能な部材であれば特に限定されるものではない。例えば、押圧部材１２０として、マニホールドに螺合するネジを用いてもよい。この場合、ネジと膜−電極接合体１０との間に集電体を配置することによって、集電体がネジの頭部によって膜−電極接合体１０に押圧される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池の模式的部分断面図である。
【図２】図２は、セパレータ５０をＡ方向から見た図である。
【図３】図３（ａ）は、カソードガス供給用マニホールド６０のカソードガス供給孔６１付近の拡大断面図である。図３（ｂ）は、押圧部材１２０の平面図である。
【符号の説明】
【００４０】
５  セル
１０  膜−電極接合体
２０  アノード集電体
３０  カソード集電体
４０  セパレータ
４１，４２  セパレータ部材
４３  アノード空間部
４４  冷媒空間部
５０  セパレータ
５１，５２  セパレータ部材
５３  カソード空間部
５４  冷媒空間部
６０  カソードガス供給用マニホールド
６１  カソードガス供給孔
６２  絶縁部
６３  導電部
７０  カソードガス排出用マニホールド
７１  カソードガス排出孔
８０  アノードガス供給用マニホールド
９０  アノードガス排出用マニホールド
１００  冷媒供給用マニホールド
１１０  冷媒排出用マニホールド
１２０  押圧部材
１３０  シール部材
【図１】
2010067567.tif 000003
【図２】
2010067567.tif 000004
【図３】
2010067567.tif 000005