(57)【要約】  【課題】締結ロッドの本数を増やして重量やコストを増大させること無くシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供する。  【解決手段】固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータ１０７ａ、１０７ｃとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池に締め付け圧力を与える一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、一方と他方のエンドプレート１２３ａ、１２３ｃを締結する締結ロッド１６を、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池の外側に一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、前記エンドプレートの一方と他方を締結する締結ロッドが、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に位置することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記締結ロッドは、前記電極の外側で、かつ、前記電極と前記単電池の外周との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータは、四角形の４隅を元の４辺よりも新たに形成される辺が短くなるようにカットした略八角形であり、前記締結ロッドは、前記セパレータの長い４辺近傍に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記締結ロッドが、前記単電池と前記エンドプレートを貫通していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータの前記締結ロッドが位置する周囲に、前記締結ロッドの径よりも大きく、かつ前記セパレータの外周まで達する切り欠きを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような固体高分子型燃料電池の基本的な単電池の構成を図８に示した。なお、水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図では符号の後にａを付け表し、空気などの酸化ガスの関与する側をカソードと呼び、図では符号の後にｃを付け表した。
【０００３】
図８に於いて、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１０１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層１０２ａ，１０２ｃを密着して配置する。さらに触媒反応層１０２ａ，１０２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層１０３ａ，１０３ｃをこれに密着して配置する。この拡散層１０３ａ，１０３ｃと触媒反応層１０２ａ，１０２ｃにより電極１０４ａ，１０４ｃを構成する。電極電解質接合体１０５は（以降、ＭＥＡと称する）、電極１０４ａ，１０４ｃと高分子電解質膜１０１とで形成している。ＭＥＡ１０５外側には、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１０６ａ，１０６ｃをＭＥＡ１０５に接する面に形成した導電性セパレータ１０７ａ．１０７ｃを配置する。導電性セパレータ１０７ａでＭＥＡ１０５とは反対の面には、隣の単電池の導電性セパレータ１０７ｃが接する。導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃ同士が接する側には循環水通路１０８が備えられ、ここに循環水が流れる。循環水は導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃを介してＭＥＡ１０５の温度を調整するように熱を移動させる。ＭＥＡ１０５と導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃとの間にはガスを封止するＭＥＡガスケット１１０ａ，１１０ｃが備えられ、導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃの間には循環水を封止するセパレータガスケット１１１が備えられている。
【０００４】
次に、基本動作を説明する。ガス流路１０６ｃに空気などの酸化ガスを流し、ガス流路１０６ａに水素などの燃料ガスを流す。燃料ガス中の水素は拡散層１０３ａを拡散し、触媒反応層１０２ａに達する。触媒反応層１０２ａで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは膜１０１を透過しカソード側に移動し反応触媒層１０２ｃに達する。空気などの酸化ガス中の酸素は拡散層１０３ｃを拡散し、反応触媒層１０２ｃに達する。触媒反応層１０２ｃでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりＭＥＡ１０５の周囲で酸化ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、ＭＥＡ１０５の温度が上昇する。そのため循環水経路１０８に水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流（電気）が発生する。
【０００５】
基本的な単電池を複数個積層した一般的な固体高分子型燃料電池スタックの構成を図９に示す。積層した単電池１１９の両端には発生する電気を集める導電性の集電板１２０を備えられ、絶縁板１２２を介してスタック両端に備えた一対のエンドプレート１２３で両端から挟持されている。この一対のエンドプレート１２３は、エンドプレート１２３，絶縁板１２２，集電板１２０および積層した単電池１１９の四隅を貫通する締結ロッド１２４で締結され、積層された複数の単電池１１９に締め付け圧力を与えてＭＥＡガスケット１１０ａ，１１０ｃおよびセパレータガスケット１１１のシール性を実現している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２８５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池では、以下のような課題があった。すなわち、固体高分子型燃料電池の軽量化や低コスト化には、締結ロッドの本数を極力減らしたいが、締結ロッドを上記従来の固体高分子型燃料電池のように四隅に配置すると、各締結ロッド間の距離が比較的長くなり、この締結ロッド間で、固体高分子型燃料電池の発電と停止による熱膨張・収縮や長期使用により、セパレータおよびエンドプレートの変形によるシール性能の低下が懸念されるという課題があった。
【０００７】
本発明の固体高分子型燃料電池は、前記従来の課題を解決するものであり、シール性能の低下を極力抑えた、比較的軽量で低コストな固体高分子型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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池の外側に一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、前記エンドプレートの一方と他方を締結する締結ロッドが、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に位置するものである。
【０００９】
これにより、各締結ロッド間の距離が短くなり、締結ロッド間でのエンドプレートおよびセパレータの変形を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の固体高分子型燃料電池は、締結ロッドの本数を増やして固体高分子型燃料電池の重量やコストを増大させること無く、シール性能の高い固体高分子型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】
請求項１に記載の発明は、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池の外側に一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、前記エンドプレートの一方と他方を締結する締結ロッドが、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に位置することにより、各締結ロッド間の距離を短くすることができるため、締結ロッド間でのエンドプレートおよびセパレータの変形を抑えることができ、比較的軽量で低コストなシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、締結ロッドが、前記電極の外側で、かつ、前記電極と前記単電池の外周との間に位置することにより、電極に締結ロッドが通る貫通穴とその貫通穴周囲の気密性を保つシール部を作る必要が無く、電極形状とシール形状の複雑化を招くことなく、比較的軽量で低コストなシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、セパレータが、四角形の４隅を、元の４辺よりも新たに形成される辺が短くなるようにカットした略八角形であり、前記締結ロッドは、前記セパレータの長い４辺近傍に位置することにより、セパレータの重量を低減することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、締結ロッドが、前記単電池と前記エンドプレートを貫通していることにより、比較的軽量で低コストなシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、セパレータが、前記セパレータの前記締結ロッドが位置する周囲に、前記締結ロッドの径よりも大きく、かつ前記セパレータの外周まで達する切り欠きを設けたことにより、セパレータの重量を低減することができる。更に、締結ロッドとセパレータが直接接することが無いために、締結ロッドに例えばステンレスなどの強度が高い導電性のものを用いても、周囲を絶縁処理する必要がなく、比較的単純な構成で単電池を積層した固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、従来例と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図である。
【００１８】
図１に示すように、単電池は一対の電極１０４で高分子電解質膜１０１を挟んで構成したＭＥＡ１０５を、一対のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとからなるセパレータ１０７で挟み込んで構成されている。アノード側セパレータ１０７ａおよびカソード側セパレータ１０７ｃには、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド１と、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド２と、酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド３と、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド４とが各セパレータ１０７ａ，１０７ｃの外周近傍に貫通して設けられている。また、アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接する面には、燃料ガス入口マニホールド１と燃料ガス出口マニホールド２とを結び、電極１０４に燃料ガスを供給するためのガス流路１０６ａが設けられている。同様にカソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面には、酸化剤ガス入口マニホールド３と酸化剤ガス出口マニホールド４とを結び、電極１０４に酸化剤ガスを供給するためのガス流路１０６ｃが設けられている。ガス流路１０６ａ，１０６ｃは、電極１０４に対して可能な限り均一にガスを供給するために、複数本の流路を蛇行させて形成している。なお、単電池に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、高分子電解質膜１０１の水素イオン伝導性を発揮させるために加湿して常に高分子電解質膜１０１を湿潤状態に保つようにしているが、ガス中の水蒸気が凝縮して、あるいは発電に伴って生成した水がガス流路１０６ａ，１０６ｃにたまって流路を閉塞し、ガスの流れを阻害しないように上方から導入して下方から排出されるようにガス流路１０６ａ，１０６ｃを構成した。
【００１９】
また、アノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとには、発電とともに発生する熱を取り去るための循環水を、カソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面と反対の面に形成した循環水流路（図示せず）に導入，排出するための循環水入口マニホールド５と循環水出口マニホールド６が、外周近傍に貫通して設けられている。
【００２０】
また、ＭＥＡ１０５には各マニホールド１，２，３，４，５，６に対応する位置に穴が設けられており、ＭＥＡ１０５のアノード電極１０４ａ（アノード側セパレータ１０７ａと接する側の電極１０４の面）側で、アノード電極１０４ａの外側には、燃料ガスが外部に漏れず、かつ酸化剤ガスと循環水とがこの面に進入しないように考慮したシール部であるＭＥＡガスケット１１０ａが設けられている。同様に、ＭＥＡ１０５のカソード電極１０４ｃ（カソード側セパレータ１０７ｃと接する側の電極１０４の面）側でカソード電極１０４ｃの外側には酸化剤ガスが外部に漏れず、かつ燃料ガスと循環水がこの面に浸入しないように考慮したＭＥＡガスケット（図示せず）が設けられている。なお、このＭＥＡガスケット１１０は導電性のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとが直接接触して短絡しないようにする絶縁の役割も果たしており、図１で示した線シールではなく面シールとしても良く、また、ＭＥＡガスケット１１０とは別に絶縁体を挿入しても、シールが行えれば良い。
【００２１】
さらに、ＭＥＡ１０５には、ＭＥＡ１０５の主面（単電池の積層方向に対して垂直に交わる面）の外形を形成する長辺の中心付近で、かつ内側に貫通穴が設けてある。すなわち、本実施の形態１のＭＥＡ１０５は図１に示すように略正方形であるので、ＭＥＡ１０５の外周とＭＥＡガスケット１１０の間で、かつＭＥＡ１０５の外周を形成する４辺のうち、略平行な各２辺の中心を結んだ線上の４箇所に貫通穴８を設けている。さらにセパレータ１０７にも、ＭＥＡ１０５を挟み込んだときにＭＥＡ１０５に設けた貫通穴８が対応する位置に、同じく貫通穴８を設けている。
【００２２】
前記貫通穴の位置では、貫通穴８によってＭＥＡ１０５とセパレータ１０７との間のＭＥＡガスケット１１０によるシール性が阻害されることはない。
【００２３】
図２は図１に示す単電池を積層して構成した固体高分子形燃料電池の構成を示す斜視図であり、図３（ａ）は同固体高分子形燃料電池の左側面図であり、図３（ｂ）は右側面図である。
【００２４】
図２，図３に示すように本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、単電池を複数枚積層し、両端に位置する単電池のセパレータ１０７ａ，１０７ｃと電気的に接続したステンレス鋼に金メッキを施した集電板１２０を配置し、絶縁板１２２を介して一対のエンドプレート１２３で挟持したものである。以下、単電池を積層して一対のエンドプレート１２３で挟持した構成をスタックと称する。
【００２５】
なお、単電池の積層は、単電池を構成するアノード側セパレータ１０７ａと隣り合う単電池を構成するカソード側セパレータ１０７ｃとが電気的に接続され、かつ、カソード側セパレータ１０７ｃに形成した循環水流路から水が外部に漏れないように、かつ燃料ガスと酸化剤ガスとがこの面に侵入しないように考慮して形成したセパレータガスケット（図示せず）が設けられている。
【００２６】
エンドプレート１２３には、スタックの陽極側となるカソード側セパレータ１０７ｃと電気的に接続された集電板１２０と絶縁板１２２を介して接する陽極側エンドプレート１２３ｃと、スタックの陰極側となるアノード側セパレータ１０７ａと電気的に接続された集電板１２０と絶縁板１２２を介して接する陰極側エンドプレート１２３ａとがあり、陰極側エンドプレート１２３ａには、燃料ガスをスタックに導入する燃料ガス入口９と、酸化剤ガスをスタックに導入する酸化剤ガス入口１０と、冷却水を導入する冷却水入口１１とが設けられ、それぞれ燃料ガス入口マニホールド１，酸化剤ガス入口マニホールド３，循環水入口マニホールド５と接続されている。また、陽極側エンドプレート１２３ｃには、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口１２と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口１３と、冷却水を排出する冷却水出口１４とが設けられ、それぞれ燃料ガス出口マニホールド２，酸化剤ガス出口マニホールド４，循環水出口マニホールド６と接続されている。
【００２７】
集電板１２０には、ＭＥＡ１０５の中央に対応する位置に端子１５が絶縁板１２２とエンドプレート１２３とを貫通し、エンドプレート１２３と電気的に絶縁された状態でエンドプレート１２３から突出して設けられ、外部回路に接続されている。
【００２８】
また、陰極側エンドプレート１２３ａと陽極側エンドプレート１２３ｃとは、締結ロッド１６により締結している。この締結ロッド１６は、積層した単電池のセパレータ１０７およびＭＥＡ１０５に設けた貫通穴８と、この貫通穴８に対応したエンドプレート１２３，絶縁板１２２および集電板１２０にそれぞれ設けられた貫通穴（図示せず）とを、各単電池と電気的に絶縁された状態で貫通している。また、この締結ロッド１６によって締結されたエンドプレート１２３は、積層した単電池のＭＥＡガスケット１１０およびセパレータガスケットに均一な締め付け圧力を与えている。なお、単電池の主面とは、単電池の積層方向に対して垂直に交わる単電池における面を指し、エンドプレートの主面とは、単電池の積層方向に対して垂直に交わるエンドプレートにおける面を指す。
【００２９】
以上のように構成した固体高分子型燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００３０】
燃料ガス入口９からスタックに供給された燃料ガスは燃料ガス入口マニホールド１を介して各単電池のアノード側セパレータ１０７ａのガス流路１０６ａを通って電極１０４のアノード側に供給される。一方、酸化剤ガス入口１０からスタックに供給された酸化剤ガスは酸化剤入口マニホールドを介して、各単電池のカソード側セパレータ１０７ｃのガス流路１０６ｃを通って電極１０４のカソード側に供給され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が電気化学反応を起こして電気と熱が発生する。
【００３１】
発電に伴って発生した熱は、循環水を循環水入口１１から循環水入口マニホールド５を介してアノード側セパレータ１０７ａの循環水流路に供給し、循環水出口マニホールド６を介して循環水出口１４からスタックの外へ排出することにより、セパレータ１０７ａ，１０７ｃを介して搬出する。
【００３２】
ＭＥＡガスケット１１０、およびセパレータガスケットは、締結ロッド１６による締め付け圧力により、燃料ガスと酸化剤ガス、および循環水がそれぞれ所定の経路以外に漏れ出さないようにシール性能を発揮することができるが、本実施の形態では、各締結ロッド間の距離が締結ロッドを４隅に設けることに比べて短くできるために、エンドプレートやセパレータの締結ロッド間での変形を抑制し、確実にシール性能を発揮させることが可能であり、締結ロッドの本数を増やして、スタックの重量やコストを増加させることを抑制できる。
【００３３】
さらに、締結ロッド１６が通る貫通穴８が４隅に無いことにより、循環水出口マニホールド６は、循環水経路よりも下方で循環水出口１４と接続することが可能であり、排水性の向上も期待できる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、各マニホールドおよび入口配管，出口配管の位置を図１から３に示すように構成したが、この位置関係に限定されるものではなく、循環水出口マニホールド６の位置に燃料ガス出口マニホールドまたは酸化剤出口マニホールドを設けることも可能であり、その場合も排水性向上の効果は期待できる。
【００３５】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図であり、図５は同単電池を複数枚積層して構成した固体高分子型燃料電池の構成を示す斜視図である。
【００３６】
図４，図５に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池の単電池の四隅をカットして略八角形とした点で異なる。その他の構成は実施の形態１を援用する。
【００３７】
これにより、シール性能が低下することなく固体高分子型燃料電池の重量を軽量化できる。
【００３８】
なお、本実施の形態の固体高分子型燃料電池では、集電板１２０および絶縁板１２２、エンドプレート１２３は実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池と同様に４角形としているが、単電池と同様の形状の略八角形としてもよい。
【００３９】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図であり、図７は同単電池を複数枚積層して構成した固体高分子型燃料電池の構成を示す斜視図である。
【００４０】
図６，図７に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、実施の形態２で示した固体高分子型燃料電池の単電池の、締結ロッドが位置する周囲に切り下記を設けた点で実施の形態２の固体高分子型燃料電池と異なる。その他の構成は実施の形態１を援用する。
【００４１】
これにより、固体高分子型燃料電池の重量を更に低減することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図
【図２】同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図
【図３】（ａ）同実施の形態の固体高分子型燃料電池の左側面図（ｂ）同実施の形態の固体高分子型燃料電池の右側面図
【図４】本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図
【図５】同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図
【図６】本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図
【図７】同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図
【図８】従来の固体高分子型燃料電池を構成する単電池の断面図
【図９】従来の固体高分子型燃料電池の斜視図
【符号の説明】
【００４４】
１    燃料ガス入口マニホールド
２    燃料ガス出口マニホールド
３    酸化剤ガス入口マニホールド
４    酸化剤ガス出口マニホールド
５    循環水入口マニホールド
６    循環水出口マニホールド
８    貫通穴
９    燃料ガス入口
１０  酸化剤ガス入口
１１  循環水入口
１２  燃料ガス出口
１３  酸化剤ガス出口
１４  循環水出口
１５  端子
１６  締結ロッド
１０１  高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１０４  電極
１０５  ＭＥＡ
１０６ａ，１０６ｃ  ガス流路
１０７  セパレータ
１０７ａ  アノード側セパレータ
１０７ｃ  カソード側セパレータ
１２０  集電板
１２２  絶縁板
１２３  エンドプレート
１２３ａ  陰極側エンドプレート
１２３ｃ  陽極側エンドプレート
【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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