(57)【要約】【課題】燃料電池と断熱材との隙間の発生を抑制可能な燃料電池を提供する。【解決手段】本実施形態によれば、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の酸化剤極に面した酸化剤極流路が設けられている酸化剤極流路板と、電解質膜の燃料極に面した燃料極流路が設けられている燃料極流路板と、を有する複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体と、セル積層体の積層方向の両端面側からセル積層体を締め付ける２つの締付板と、２つの締付板を連結させる複数の連結具と、２つの締付板の表面、及び裏面の少なくとも一部を覆う自己接着性の断熱材部と、を備える。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の酸化剤極に面した酸化剤極流路が設けられている酸化剤極流路板と、前記電解質膜の燃料極に面した燃料極流路が設けられている燃料極流路板と、を有する複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の積層方向の両端面側から前記セル積層体を締め付ける２つの締付板と、
前記２つの締付板を連結させる連結具と、
前記２つの締付板の表面、及び裏面の少なくとも一部を覆う自己接着性の断熱材部と、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
前記２つの締付板は、前記セル積層体に対向する面との間に中空状の形状を有しており、
前記断熱材部は、前記中空状の形状内に充填されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セル積層体の積層方向に沿った側面に配置され、前記セル積層体内の前記燃料極流路板、又は前記酸化剤極流路板に反応ガスを供給するマニホールドを更に備え、
前記断熱材部は、前記マニホールドの少なくとも一部を覆う、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セル積層体の両端部に配置される集電板と、
前記集電板に接続される端子と、を更に備え、
前記断熱材部は、前記端子に接続される電流ケーブルと前記端子との接続部を覆う、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記断熱材部は吹付け型の発泡断熱材である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
電解質膜と、前記電解質膜の酸化剤極に面した酸化剤極流路が設けられている酸化剤極流路板と、前記電解質膜の燃料極に面した燃料極流路が設けられている燃料極流路板と、を有する複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体に、前記セル積層体の積層方向の両端面側から前記セル積層体を締め付ける２つの締付板を連結させる工程と、
前記セル積層体に連結された前記２つの締付板の表面、及び裏面の少なくとも一部を覆う自己接着性の断熱材を吹き付ける工程と、
を備える、燃料電池の組み立て方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池、及び燃料電池の組み立て方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極ガスと、酸化剤極ガスとの電解質膜における電気化学的反応により発電する。この燃料電池は、他のエネルギ機関と比べエネルギ回収効率が高く、またｎｏｘやｓｏｘ等の排出がほとんど無いので、地球環境に与える影響をより小さくすることが可能である。このため、家庭用、車載用などの燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
この燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の燃料極に沿った流路が設けられている燃料極流路板と、電解質膜の酸化剤極に沿った流路が設けられている酸化剤極流路板とを有する燃料電池セルが積層されたセル積層体を用いて発電する。また、セル積層体は発電時に熱を発生させ、この熱を回収して利用することが出来る。セル積層体の熱回収効率を維持するために、セル積層体の放熱を防止する必要がある。
【０００４】
ところが、この燃料電池は、一般にセル積層体を締め付ける締付板、この締付板を連結させる連結具などを有している。このため、柔軟性を有する断熱材などで燃料電池を覆おうとしても、連結具などにより隙間が生じ、断熱性能が低下してしまう恐れがある。
【０００５】
また、セル積層体を構成する燃料電池セル各々は発電時に発熱することから、セル積層体の両端部は中央部よりも放熱性が高く、中央部よりも低温になる。このため、両端部の燃料電池セルの熱回収効率が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−８７３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の所定の表面に対して隙間なく断熱材を配置可能な燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態によれば、燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の酸化剤極に面した酸化剤極流路が設けられている酸化剤極流路板と、前記電解質膜の燃料極に面した燃料極流路が設けられている燃料極流路板と、を有する複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体と、セル積層体の積層方向の両端面側から前記セル積層体を締め付ける２つの締付板と、２つの締付板を連結させる複数の連結具と、前記２つの締付板の表面、及び裏面の少なくとも一部を覆う自己接着性の断熱材部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の所定の表面に対して隙間なく断熱材を配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】マニホールドを外した燃料電池スタックの構造を示す斜視図。
【図２】マニホールドを装着した状態の燃料電池スタックの構造を示す斜視図。
【図３】燃料電池セルの構成を示す分解斜視図。
【図４】燃料極流路板の構成を示す図。
【図５】酸化剤極流路板の構成を示す図。
【図６】締付板の表側の構成と端子を示す図。
【図７】締付板の裏面の構成を示す図。
【図８】締付板の中空状の構造内に配置された断熱材部を示す図。
【図９】締付板の表面及び端子の接続部を含む領域を断熱材部で覆った図。
【図１０】マニホールドの背面を断熱材部で覆った図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００１２】
（一実施形態）
図１は、マニホールドを外した燃料電池１の構造を示す斜視図である。図２は、マニホールドを装着した状態の燃料電池１の構造を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る燃料電池１は、燃料電池セルにおける電気化学反応により発電する構造体である。すなわち、燃料電池１は、セル積層体１０と、２つの集電板２０と、２つの絶縁板２５と、燃料電池締付構造体３０と、第１マニホールド４０と、第２マニホールド４２と、第３マニホールド４４と、第４マニホールド４６と、を備えて構成されている。セル積層体１０は、複数の燃料電池セル１０ａを積層したものである。燃料電池セル１０ａは、水素を含む燃料極ガスと酸素を含む酸化剤極ガスとの電気化学反応により発電する。すなわち、セル積層体１０は、複数の燃料電池セル１０ａを直列に接続した構造体である。燃料電池セル１０ａの詳細な構成は後述する。図１及び図２は、セル積層体１０の積層方向に平行なＺ方向と、Ｚ方向に垂直で互いに平行なＸ方向およびＹ方向を示している。本実施形態の燃料電池１を水平面上に設置する場合、Ｚ方向は重力方向に平行となる。
【００１３】
セル積層体１０の積層方向の両側には、２つの集電板２０が配置されている。２つの集電板２０は、板状の導電体であり、セル積層体１０の両端面のそれぞれに配置されている。２つの絶縁板２５は、板状の絶縁体であり、２つの集電板２０と、２つの締付板１００との間にそれぞれ配置されている。このように、セル積層体１０の積層方向の両側には、２つの集電板２０と２つの絶縁板２５が順に配置されており、これらを一体的に積層方向の両側から２つの締付板１００で締め付けることで、燃料電池１が得られる。
【００１４】
燃料電池締付構造体３０は、セル積層体１０に面圧を加える構造体であり、２つの締付板１００と、複数の連結具２００と、を備えて構成されている。２つの締付板１００は、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体１０の積層方向の両側からセル積層体１０を締め付ける部材である。締付板１００は、押圧部１１０と、梁部１２０とを有している。これら押圧部１１０と、梁部１２０とは一体形成されている。なお、押圧部１１０と、梁部１２０とをそれぞれ分離して構成してもよい。
【００１５】
連結具２００は、２つの締付板１００を連結させる部材である。すなわち、本実施形態における連結具２００は、タイロッド２０２と、二つの座金２０４と、二つのナット２０６と、を有している。図１に示すように、２つの締付板１００に設けられた対向する孔部にタイロッド２０２を通した状態で、座金２０４を介してナット２０６が締め付けられ、２つの締付板１００が連結されている。
【００１６】
図２に示すように、燃料電池１におけるセル積層体１０の積層方向に沿った側面にはマニホールド４０、４２、４４、４６が装着される。マニホールドとは、燃料極ガス、酸化剤極ガスなどの反応ガス、冷却水などを供給する空間領域を備えた部材である。
【００１７】
第１マニホールド４０は、冷却水マニホールドと酸化剤極マニホールドとを有している。第２マニホールド４２は、燃料極マニホールドである。第３マニホールド４４は、第１マニホールド４０に対向するマニホールドであり、冷却水マニホールドと酸化剤極マニホールドとを有している。すなわち、第１マニホールド４０と第３マニホールド４４とは、セル積層体１０の対向する側面にそれぞれ配置されている。
【００１８】
第４マニホールド４６は、第２マニホールド４２に対向するマニホールドであり、燃料極マニホールドである。すなわち、第２マニホールド４２と第４マニホールド４６とは、セル積層体１０の対向する側面にそれぞれ配置されている。
【００１９】
配管継ぎ手部４０ａから導入された冷却水は、セル積層体１０の側面から供給され、燃料電池セル１０ａの冷却水流路溝を介して配管継ぎ手部４４ａから排出される。一方で、配管継ぎ手部４０ｂから酸化剤極ガスが導入され、セル積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかった酸化剤極ガスが配管継ぎ手部４０ｃから排出される。また、配管継ぎ手部４２ａから燃料極ガスが導入され、セル積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかった燃料極ガスが配管継ぎ手部４２ｂから排出される。
【００２０】
マニホールド４０、４２、４４、４２には、ガス不透過性が求められる。また、マニホールド内部は、マニホールド外部より圧力が高くなる。このため、マニホールド４０、４２、４４、４２は、一般的にマニホールド内部と外部の圧力差に耐えうる剛性樹脂又は金属の成型品として構成されている。
【００２１】
図３乃至図５に基づき、第１の実施形態に係る燃料電池セル１０ａの詳細な構成について説明する。図３は、一実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す分解斜視図である。図３に示すように、燃料電池セル１０ａは、電解質膜１２と、燃料極流路板１４と、酸化剤極流路板１６と、を備えて構成されている。この電解質膜１２は、一方の主面１２ａに燃料極が形成され、他方の主面１２ｂに酸化剤極が形成されている。電解質膜１２は、例えば高分子型の電解質膜である。
【００２２】
図４は、燃料極流路板１４の構成を示す図であり、図４（ａ）は、燃料極流路板１４の主面１４ａ側の形状を示す図であり、図４（ｂ）は、燃料極流路板１４の主面１４ｂ側の形状を示す図である。この図４（ａ）に示すように、燃料極流路板１４の主面１４ａは、電解質膜１２の燃料極と反対側であり、平坦な面を形成している。
【００２３】
図４（ｂ）に示すように、燃料極流路板１４は、電解質膜１２の燃料極側の主面１４ｂに、燃料極に沿った燃料極ガス流路溝１４０ｂを形成している。また、燃料極ガス流路溝１４０ｂは、第１入口部１４ｃと、第１出口部１４ｄと、第２入口部１４ｅと、第２出口部１４ｆと、を有する。第１入口部１４ｃから導入され燃料極ガスは、燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ第１出口部１４ｄから排出される。また、第２入口部１４ｅから導入された燃料極ガスは、燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ第２出口部１４ｆから排出される。
【００２４】
図５は、酸化剤極流路板１６の構成を示す図であり、図５（ａ）は、酸化剤極流路板１６の主面１６ａの形状を示す図であり、図５（ｂ）は、酸化剤極流路板１６の主面１６ａの反対側の主面１６ｂの形状を示す図である。この図５（ａ）に示すように、酸化剤極流路板１６は、電解質膜１２の酸化剤極側の主面１６ａに、酸化剤極に沿った酸化剤ガス流路溝１６０ａを形成している。また、燃料極ガス流路溝１６０ａは、第１入口部１６ｃと、第１出口部１６ｄと、第２入口部１６ｅと、第２出口部１６ｆと、を有する。第１入口部１６ｃから導入され酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝１６０ｂに沿って流れ第１出口部１６ｄから排出される。また、第２入口部１６ｅから導入され酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝１６０ｂに沿って流れ第２出口部１６ｆから排出される。
【００２５】
図５（ｂ）に示すように、酸化剤極側と反対側の主面１６ｂに、冷却水流路溝１６０ｂを形成している。冷却水流路溝１６０ｂは、第１入口部１６ｈと、第１出口部１６ｇと、を有する。第１入口部１６ｈから導入され冷却水は、冷却水流路溝１６０ｂに沿って流れ第１出口部１６ｇから排出される。酸化剤極流路板１６は、例えば微細孔を有する導電性多孔質板で構成されている。また、冷却水流路溝１６０ｂは、冷却水をその表面から蒸発し、燃料電池セルを加湿する。なお、冷却水流路溝１６０ｂを有しない酸化剤極流路板１６を用いてもよい。冷却水流路溝１６０ｂを有しない酸化剤極流路板１６を用いる場合には、第１マニホールド４０及び第４マニホールド４６は、酸化剤極マニホールドのみで構成してもよい。
【００２６】
これら複数の燃料電池セル１０ａは、化学式１で示す反応により発電する。より詳細には、燃料極ガスは例えば水素含有ガスである。燃料極ガスは、燃料極流路板１４の燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ、燃料極反応をおこす。酸化剤ガスは例えば酸素含有ガスである。酸化剤ガスは、酸化剤極流路板１６の酸化剤ガス流路溝１６０ａを沿って流れ、酸化剤極反応をおこす。燃料電池スタックは、これらの電気化学反応を利用して、集電板２０（図１）に設けられた電極から電気エネルギを取り出す。
【００２７】
（化学式１）
燃料極反応：H2 → 2H+ + 2e
酸化剤極反応：1/2O2 + 2H+ +2e- → H2O
【００２８】
図６乃至図８に基づき、締付板１００の裏面へ配置される断熱材部４００について説明する。図６は、締付板１００の表側の構成と端子３００を示す図である。この図６に示すように締付板１００には、端子３００と端子カバー３１０が装着される。この端子３００は、集電板２０に電気的に接続されている。
【００２９】
図７は、締付板１００の裏面の構成を示す図である。図７に示すように、梁部１２０（図１）の内部は中空状の締付板１００の形状をしている。すなわち、締付板１００の裏面は、押圧部１００を除き、積層方向に凹部状の形状を有している。このように、締付板１００は、セル積層体１０（図１）に対向する面に中空状の構造を有している。上述のように、開口部３４０には、端子３００と端子カバー３１０（図６）とが装着される。
【００３０】
図８は、締付板１００の中空状の構造内に配置された断熱材部４００を示す図である。この図８に示すように、締付板１００における中空状の構造内に断熱材部４００が配置される。断熱材部４００は、自己接着性の絶縁材であり、例えば難燃性硬質ウレタンフォームである。すなわち、難燃性硬質ウレタンフォームは、燃料電池の運転時の温度では難燃性であり、絶縁性である。より具体的には、断熱材部４００を構成する自己接着性の断熱材の難燃性は、例えばＵＬ９４、ＨＦ−１の規格を満たす。この断熱材部４００を構成する断熱材の絶縁性は、例えば１００ＭΩｍ以上であり、断熱材の耐熱温度は、例えば８０℃以上であり、熱伝導率は例えば０．０３４Ｗ／ｍＫ以下である。
【００３１】
締付板１００の中空状の構造内に配置された断熱材部４００を構成する場合には、図１又は図２に示すように、締付板１００をセル積層体１００に装着し、端子３００を配置した後に、開口部３４０及ぶ締付板１００の端部側から液状又はシェービングクリーム状の自己接着性の絶縁材を注入する。これにより、液状又はシェービングクリーム状の自己接着性の絶縁材は、締付板１００における中空状の構造内において発泡する。そして、発泡した自己接着性の絶縁材は、硬化して、断熱材部４００が構成される。このように、締付板１００の中空状の構造内に断熱材部４００が構成される際に、締付板１００と絶縁板２５（図１）の間の隙間や小さな穴などが埋められる。これにより、締付板１００の断熱性がより向上する。すなわち、積層セル１００の両端側の断熱性がより向上する。
【００３２】
また、締付板１００をセル積層体１０へ装着した後に断熱材部４００を構成可能である。これにより、締付板１００のセル積層体１０へ装着、及び締め付け圧の調整が阻害されることが回避される。
【００３３】
締付板１００の中空状の構造内に断熱材部４００を配置した場合のセル積層体１０は、両端部の燃料電池セルの放熱が抑制される。締付板１００の中空状の構造内に断熱材部４００を配置しない場合は、セル積層体１０の両端部の燃料電池セルは、発熱しても締付板１００側で放熱することで温度が低下し、セル積層体１０の中央部と両端部で温度差が生じて、熱回収効率が低下する。しかし、締付板１００の中空状の構造内に断熱材部４００を配置した場合のセル積層体１０は、断熱材部４００によって保温されることで両端部の燃料電池セルの放熱が抑制されることで温度が低下せず、セル積層体１０の中央部と両端部で温度が均一となり、熱回収効率は向上する。
【００３４】
図９は、締付板１００の表面、及び端子３００と電流ケーブル３５０との接続部を含む領域を断熱材部４００で覆った図である。この図９に示すように、断熱材部４００は、電流ケーブル３５０との接続部を含む領域を絶縁性の断熱材部４００で覆っているので、水漏れ等が生じても漏電が抑制される。また、締付板１００の表面も含め一体的に断熱材で覆うため、更にセル積層体１０の端部側の断熱性が向上する。
【００３５】
図１０は、マニホールド４０、４２、４４、４２の背面を断熱材部４００で覆った図である。この図１０に示すように、マニホールド４０、４２、４４、４２の背面も断熱材部４００で覆うことにより、マニホールド４０、４２、４４、４２からの放熱も抑制される。また、配管継ぎ手部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４２ａ、４２ｂ、４４ａ、タイロッド２０２の両端部、座金２０４、ナット２０６を除き燃料電池全体を断熱材部４００で覆うことにより、放熱をより抑制することが可能となる。なお、タイロッド２０２の両端部、座金２０４、ナット２０６も断熱材部４００で覆ってもよい。
【００３６】
このように、セル積層体１０に、セル積層体１０の積層方向の両端面側からセル積層体１０を締め付ける２つの締付板を連結させ、マニホールド４０、４２、４４、４２を装着して、自己接着性の発泡断熱材により断熱材部４００を構成する。これにより、燃料電池１を組み立てた後にも、自己接着性の発泡断熱材により断熱材部４００を構成することが可能となる。また、燃料電池１を組み立てた後でも、燃料電池１と断熱材部４００との隙間の発生を断熱材部４００自体により抑制できる。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、自己接着性の断熱材部により、２つの締付板１００の表面、及び裏面の少なくとも一部を覆うこととした。これにより、セル積層体１０の端部と中央部との温度差が減少し、燃料電池セル１０ａの発電効率がセル積層体１０内でより均一化することが可能となる。
【００３８】
また、自己接着性の発泡断熱材により断熱材部４００を構成するので、燃料電池１の所定の表面に対して隙間なく断熱材部４００を配置できる。
【符号の説明】
【００３９】
１：燃料電池、１０：セル積層体、１０ａ：燃料電池セル、２０：集電板、２５：絶縁板、４０：第１マニホールド、４２：第２マニホールド、４４：第３マニホールド、４６：第４マニホールド、１００：締付板、２００：連結具、３００：端子、４００：断熱材部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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