(57)【要約】【課題】大型化や重量の増大を抑えつつ、面圧のバラツキを抑えた燃料電池を提供する。【解決手段】この発明の燃料電池は、積層された複数のセルと、積層されたセルの積層方向の両外側に配置された一対の集電極板と、集電極板の外側に配置された一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートの外側から積層されたセルを締め付けて締結させる締結部材と備える。また、セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状を有し、かつ、それぞれ、電解質膜と電解質膜の両側に配置された一対の電極と、一対の電極の両側に配置され、それぞれ、燃料ガス流路と酸化ガス流路とを構成するセパレータとを備えている。【選択図】図１
2008177089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数のセルと、
前記積層されたセルの積層方向の両外側に配置された一対の集電極板と、
前記集電極板の外側に配置された、一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの外側から、前記積層されたセルを締め付けて締結させる締結部材と、
を備え、
前記セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状を有し、かつ、それぞれ、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極の両側に配置され、それぞれ、燃料ガス流路と酸化ガス流路とを構成するセパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記複数のセルは、前記断面において、同一の方向に、同一の曲率で湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記締結部材により締結される前の状態において、
前記複数のセルは、異なる曲率で形成され、かつ、
前記断面において、前記複数のセルのうち最も曲率の小さなセルを中心セルとした場合に、前記中心セルより積層方向外側に配置されるセルは、外側が窪んだ形状とされると共に、前記中心セルよりも積層方向外側になるに伴って、曲率が大きくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セルの曲率は、0.1〜10の範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池の、前記セルのそれぞれにかかる圧力が、0.1MPa〜10MPaの範囲内であることを特徴とする請求項１から４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】
この発明は燃料電池に関する。更に具体的には、積層された複数のセルを有する燃料電池として好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開平８−１５３５２５号公報には、複数の単電池（セル）が積層されて構成された燃料電池が開示されている。この燃料電池の各セルは、電解質膜とその両側に配置されたアノード極とカソード極とからなる膜−電極接合体を備えている。各電極の両側はカーボン集電体（セパレータ）により挟持されている。ここで、アノード極側のセパレータには、アノード極に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が溝状に形成され、カソード極のセパレータには、カソード極に酸化ガスとなる空気を流通させる酸化ガス流路が溝状に形成されている。
【０００３】
この燃料電池のセパレータは、垂直方向の断面（つまりセルの積層方向に平行な断面）が円弧状になるように、所定の曲率で湾曲した形状に構成されている。酸化ガス流路はセパレータの円弧の方向に沿って湾曲した溝状に形成されている。一方、燃料ガス流路は、セパレータの、酸素ガス流路に対して垂直な方向（つまり上記の断面に垂直な方向）に直線状に形成されている。上記従来技術によれば、酸化ガス流路をセパレータの円弧に沿って湾曲した形状とすることで、酸化ガス流路を流れる空気に遠心力を発生させる。この遠心力により、酸化ガス流路を流れるガスに、カソード極に向う流れができる。その結果、酸化ガス流路内のガスのカソード極拡散層への拡散を促進し、酸素をより多く含む空気がカソード極に供給されるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１５３５２５号公報
【特許文献２】特開２００４−４７１５５号公報
【特許文献３】特開２００４−２８８５３９号公報
【特許文献４】特開２００４−３２７１０５号公報
【特許文献５】特開２００４−２１４０４０号公報
【特許文献６】特開２００１−９３５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の発電中にはセルにおける温度変化が大きくなる場合がある。例えば、燃料電池の始動時には低温の冷却水が流れ込むため、セルの一部分が急激に冷却される場合がある。この場合、温度差によるセル内での膨張に大きなバラツキが発生し、セルが変形する場合がある。
【０００６】
また、燃料電池の電気化学反応は発熱を伴う。従って、燃料電池の発熱量が大きくなるにつれて、各セルの膨張が大きくなることとなる。ここで、一般に燃料電池は、上記のようにセルが積層され、その積層方向両側にエンドプレートが配置され、その外側から締結部材によって所定の締結荷重で締め付けられた状態となっている。従って、燃料電池の発熱によりセルが膨張すると、締結部材による締め付け箇所から遠い部分でセルが大きくたわみ、燃料電池の外側に向けてセルが膨らむように変形することが考えられる。
【０００７】
このように、燃料電池の温度変化による体格変化が大きくなると、各セル面内にかかる締結圧力（以下「面圧」）にバラツキが生じることが考えられる。面圧のバラツキは発電性能の低下に繋がることとなるため、面圧は均一に安定させることが好ましい。
【０００８】
例えば面圧を一定にするために、エンドプレートの外側にばねを配置して、一定の弾性力でエンドプレートをセル面に垂直な方向に押圧したものがある。しかし、このようにばねを用いる構造とした場合、燃料電池の大型化や重量の増大や、バネ等の締結部材によるコストの増大が問題となる。
【０００９】
また、このようにばねを使用した場合であっても、温度変化による体格変化が大きくなると面圧を一定内に保つことが困難となることも考えられる。更に、近年、燃料電池の小型化の要請は強く、このため、セパレータを含む個々のセルを薄くする傾向にある。セパレータの構造が薄くなれば、熱により発生するたわみも大きくなり、体格変化はより大きくなるため、面圧のばらつきは大きくなり、より面圧を均一に安定させることが困難となる。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の大型化や重量の増大化を抑えつつ、面圧を一定範囲内に保つことができるように改良した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】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
積層された複数のセルと、
前記積層されたセルの積層方向の両外側に配置された一対の集電極板と、
前記集電極板の外側に配置された、一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの外側から、前記積層されたセルを締め付けて締結させる締結部材と、
を備え、
前記セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状を有し、かつ、それぞれ、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極の両側に配置され、それぞれ、燃料ガス流路と酸化ガス流路とを構成するセパレータと、
を備える。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記複数のセルは、前記断面において、同一の方向に、同一の曲率で湾曲している。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記締結部材により締結される前の状態において、
前記複数のセルは、異なる曲率で形成され、かつ、
前記断面において、前記複数のセルのうち最も曲率の小さなセルを中心セルとした場合に、前記中心セルより積層方向外側に配置されるセルは、外側が窪んだ形状とされると共に、前記中心セルよりも積層方向外側になるに伴って、曲率が大きくなっている。
【００１４】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記セルの曲率は、0.1〜10の範囲内である。
【００１５】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記燃料電池の、前記セルのそれぞれにかかる圧力が、0.1MPa〜10MPaの範囲内である。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、燃料電池の各セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状となっている。これによれば、各セル自体にある程度の弾性力を持たせることができる。従って、ばね等の弾性体を使用することなく面圧を一定内に安定させることができる。また、このようにセルを湾曲した形状とすることで、電極面積を大きくすることができるため、燃料電池の小型化を図ることができる。
【００１７】
第２の発明によれば、各セルは同一方向に、同一の曲率で湾曲した形状となっている。これにより、燃料電池全体に同じ方向の弾性力を持たせることができるため、面圧を一定範囲内に維持することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、各セルを積層して締結させる前の状態において、各セルは最も曲率が小さいセルを中心セルとし、中心セルより外側のセルは中心セルに向けて湾曲するように構成され、かつ、中心セルより外側に離れるに連れて曲率が大きくなるように構成されている。これによれば、燃料電池の締結時にかかる圧力によるたわみを考慮した形状とすることができ、締結後の燃料電池のセルが、湾曲した形状となるものとすることができる。
【００１９】
第４の発明によれば、セルの曲率は0.1〜10である。これにより、より確実に燃料電池の面圧を安定させることができる。
【００２０】
第５の発明によれば、燃料電池の各セルにかかる面圧が、0.1〜10MPaである。上記のように、燃料電池のセルを湾曲させることで、このように面圧の安定した燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における燃料電池について説明するための模式図である。図１は、燃料電池の各セルの積層方向に平行な一面における断面を表している。図２は、この燃料電池のセルについて説明するための模式図であり、図１と同一方向の断面を表している。図３は、このセルのセパレータについて説明するための模式図である。
【００２３】
図１の燃料電池１０は、複数のセル１２が積層されて構成されている。セル１２の両側には、ターミナル１４（集電極板）が配置されている。ターミナル１４は、積層された複数のセル１２の発電反応により発生した電力を取り出す機能を有している。ターミナル１４の両外側にはインシュレータ１６が配置され、更に、その外側にはエンドプレート１８が配置されている。インシュレータ１６は、その両側に配置されるターミナル１４とエンドプレート１８との間を絶縁する絶縁体である。この燃料電池１０は、エンドプレート１８の外側から締結部材２０により所定の圧力で押圧されて締結されている。
【００２４】
図２は、図１の燃料電池１０内の各セルについて説明するための図である。図２に示すように、各セル１２には、電解質膜２２が配置されている。電解質膜２２は、燃料電池の種類に応じて異なるものであるが、ここではプロトン導電性を有する固体高分子電解質膜２２が用いられている。電解質膜２２の両側には、アノード極２４とカソード極２６とが配置されている。アノード極２４及びカソード極２６は、例えば白金を担体に担持させた触媒からなる触媒層と、その触媒層の表面に形成された拡散層とにより構成されている。
【００２５】
このように構成された膜―電極接合体（ＭＥＡ）の両側にはセパレータ２８が配置されている。セパレータ２８は、カーボンを主材料として形成されている。アノード極２４に接するセパレータ２８には、アノード極２４に水素等の燃料を流通させるためのアノード流路が構成されている。一方カソード極２６に接するセパレータ２８には、カソード極２６に酸化ガスとしての大気を供給するためのカソード流路が形成されている。
【００２６】
図３に示すように、セパレータ２８は、図１に示すセルの湾曲形状に構成されている。このセパレータ２８に挟持されることで、膜―電極接合体もこのセパレータ２８に沿って湾曲して形成され、図２に示すように各セル１２は円弧状に湾曲した状態となる。
【００２７】
再び図１を参照して、セル１２及びターミナル１４は、図１の断面において、同一方向に向けて中央付近が膨らんだ、円弧状に湾曲した形状となっている。ここで、各セル１２及びターミナル１４の曲率は、0.1〜10の範囲内とすることが好ましい。一方、ターミナル１４の外側のインシュレータ１６とエンドプレート１８とは、断面が直線状に、即ち平面に形成されている。なお、ターミナル１４とインシュレータ１６との間に発生する隙間は、弾性力を有する絶縁部材等によって埋め込んだものであってもよく、また、特に埋め込まれていなくてもよい。
【００２８】
燃料電池１０内において、各セル１２のＭＥＡ設置面内にかかる圧力（面圧）は常に0.1MPa〜10MPaの範囲内となるように構成されている。つまり、締結部材２０による締結圧力と湾曲したセパレータ２８（セル１２）の弾性力とで面圧のバラツキが抑えられ、この範囲内に維持される。
【００２９】
以上のように、実施の形態１の燃料電池１０によれば、締結力と湾曲したセル１２の弾性力とにより、全セル１２の面圧が均一に維持されている。ここで例えば、燃料電池１０の発電中は、その電気化学反応により発熱すると、ＭＥＡとセパレータ２８とが共に膨張する。しかし、セル１２は湾曲した状態とされており、セル１２自体が弾性力を有している。従って膨張に対向して弾性力が働きＭＥＡとセパレータ２８による膨張が吸収されて、燃料電池１０の体格変化が抑えられるようになっている。また、セル１２が膨張して変形した場合であっても、セル１２が全体として同一方向に湾曲して構成され弾性力を有するため、その膨張に対して応力を発揮することができる。従って、セル１２内の面圧のバラツキは比較的小さく抑えることができる。
【００３０】
また、この発明の実施の形態１の燃料電池１０によれば、例えばエンドプレート１８の外側にバネ等を設置して、このバネによる圧力を加えるようなことなく、セル１２に弾性力を持たせることで必要な面圧を維持することができる。従って、燃料電池１０全体の体格を大きくしたり、セパレータ２８等の部材を厚くしたりすることなく、燃料電池１０の体格変化を小さく抑えることができる。更に、各セル１２が湾曲して形成されていることで、同一の体格の燃料電池で比較した場合に、各セル１２の電極面積をより大きく確保することができる。これにより、燃料電池１０のいっそうの小型化が図られている。
【００３１】
なお、以上の実施の形態１においては、セル１２とターミナル１４とを湾曲した形状とし、インシュレータ１６及びエンドプレート１８とは平面状に形成されている場合について説明した。しかし、この発明における燃料電池はこれに限るものではなく、インシュレータ１６とエンドプレート１８とを、セル１２と同様の形状に湾曲させたものであってもよい。これについては、実施の形態２についても同様である。
【００３２】
また、セル１２とターミナル１４とが同一の曲率で形成されている場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、セル１２とターミナル１４との曲率は異なるものであってもよい。これにより、例えばセル１２とターミナル１４とで異なるヤング率の材料を使用した場合に、曲率を変化させることでバネ定数を任意に設定することができる。また、実施の形態１においては、セル１２とターミナル１４との曲率が0.1〜10である場合について説明した。しかし、曲率についても、これに限定されるものではなく、各部材を構成する材料の膨張率やヤング率等を考慮してそれぞれ、適宜曲率を設定することができる。これらについては、実施の形態２においても同様である。
【００３３】
実施の形態２．
図４は、従来の燃料電池の締結時の状態を説明するための模式図である。図５は、この発明の実施の形態２における燃料電池の締結部材による締結前の状態を説明するための図である。図５に示す燃料電池は、燃料電池の締結後には図１に示す燃料電池のように、一方向に湾曲したセルを有する燃料電池となる。
【００３４】
図４に示すように、燃料電池１１０は、エンドプレート１１８の外側から締結部材１２０により締め付けられて締結される。従来の燃料電池１１０ではこの締結時の圧力に対しセル１１２の剛性を確保することができず、図４に示すような状態で、締結部分とは遠いセル１１２の中央部分が外側に大きく膨らむような形でたわみ、燃料電池１１０の体格変化が大きくなる場合がある。
【００３５】
これに対し、本実施の形態２では、締結時にセル１２及びターミナル１４に発生するたわみを見越して、締結後の燃料電池が、最終的に図１に示すような燃料電池１０となるように、セル１２の形状を、下記のように構成しておく。
【００３６】
即ち、締結時に発生するたわみは、図４に示すように、外側に配置されるセル（またはターミナル）ほど、外側に大きく膨らむような形で発生する。従って、図１の断面において、最終的に構成される燃料電池１０の円弧形状の膨らんでいる方（紙面では左）の、ターミナル１４ａ付近に配置されるセル１２ａ（及びターミナル１４ａ）は、締結前は、逆に内側（紙面では右）に膨らむように形成されている。一方、円弧形状の窪んでいる方（紙面右）の、ターミナル１４ｂ付近に配置されるセル１２ｂ（及びターミナル１４ｂ）は、締結後よりもそのセル１２ｂの曲率が小さくなるように内側方向（紙面左）に向けて湾曲して形成されている。
【００３７】
つまり、締結前において、燃料電池１０の中心より紙面左側に配置される最も曲率が小さなセルを中心セル１２ｃとした場合に、その中心セル１２ｃとターミナル１４ａ、１４ｂとの間に配置されるセルは、それぞれ中心セル１２ｃとは反対側（外側）が窪んだ形状となる。また、中心セル１２ｃから離れて積層方向の外側に配置されるセルほど、曲率は大きくなるように形成されている。
【００３８】
締結前において上記のように構成される燃料電池１０において、その締結時、中心セル１２ｃよりも紙面左側に配置されたセル１２ａ（及びターミナル１４ａ）には、紙面左側に向けたたわみが発生する。従って、中心セル１２ｃ側（内側）に湾曲された分が打ち消されて、紙面左側に膨らんだ形状となる。また、中心セル１２ｃを含めて積層されたセル１２の実際の中心に配置されているセル１２ｄよりも紙面左側に配置されているセル１２に対しては、締結時には紙面左側に向けて膨らむ方向でたわみが発生する。従って、中心セル１２ｃ付近のセルも図１に示すように紙面左側に向けて湾曲した状態となる。
【００３９】
更に、実際に中心に配置されているセル１２ｄより紙面右側のセル１２ｂ（及びターミナル１４ｂ）は、締結後の湾曲方向と同一の方向に湾曲して形成されている。しかし、これらのセル１２ｂに対しては、締結時には、締結後のセル１２の湾曲方向とは逆方向（紙面右）にたわみが発生する。従って、これらのセル１２ｂの曲率は、締結前に比べて小さなものとなる。
【００４０】
以上の結果、実施の形態２によれば、全てのセル１２が締結時の締結力を受けて、図１に示すように、同一方向に同一の曲率で湾曲した形状となる。このように、締結時のたわみを考慮した形状とすることで、燃料電池１０の締結時に発生するたわみによる面圧のばらつきを小さくすることができる。
【００４１】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１の燃料電池のセルについて説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１のセルのセパレータについて説明するための模式図である。
【図４】従来の燃料電池の締結時に発生するたわみについて説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態２の燃料電池の締結前の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池
１２  セル
１４  ターミナル
１６  インシュレータ
１８  エンドプレート
２０  締結部材
２２  電解質膜
２４  アノード
２６  カソード
２８  セパレータ
【図１】
2008177089.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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