(57)【要約】【課題】断熱材取付け等の作業性に優れ、移動および設置が容易で、また、導電性セパレータ板または集電板の損傷、汚染および短絡がもたらす電池破損がない高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質膜、これを挟むアノードおよびカソード、並びにアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板からなる単電池の複数個を積層した積層体、積層体を集電板および絶縁板を介して挟む端板、並びに端板を締結する締結手段を具備し、前記締結手段の締結用軸が導電性セパレータ板内を貫通する構造を有し、アノード側およびカソード側の少なくとも一方の絶縁板または端板が、導電性セパレータ板および集電板の端面より設置面側に突出している突出部を有するものとした。【選択図】        図３
2004349015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板からなる単電池の複数個を積層した積層体、前記積層体を集電板および絶縁板を介して挟む端板、並びに前記端板を締結する締結手段を具備し、前記締結手段の締結用軸が導電性セパレータ板内を貫通する構造を有する燃料電池であって、アノード側およびカソード側の少なくとも一方の絶縁板または端板が、導電性セパレータ板および集電板の端面より設置面側に突出している突出部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
アノード側端板およびカソード側端板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、これらの端板により前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
アノード側絶縁板およびカソード側絶縁板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、これらの絶縁板により前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
アノード側端板または絶縁板、およびカソード側絶縁板または端板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、これらの端板および絶縁板により前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
さらに、アノード側の端板または絶縁板およびカソード側の端板または絶縁板が、設置面側と反対側の端面に突出部を有し、前記突出部は把手を有する請求項２、３または４記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜およびその両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族金属触媒を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびその外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つ、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から構成される。
【０００３】
供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周辺には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガスシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互い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が配置される。導電性セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、導電性セパレータ板と別に設けることもできるが、導電性セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
これらのＭＥＡと導電性セパレータ板を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層し、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な燃料電池の構造である。
【０００４】
燃料電池を締結するための軸は、導電性セパレータ板内部を貫通するタイプ（例えば、非特許文献１参照。）と、導電性セパレータ板外部を通るタイプが提案されている。体積効率および軽量化の点から、導電性セパレータ板内部を貫通するタイプの方が好ましい。
また、マウント用ブラケットを用いるタイプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）このタイプは、部品点数が増加し、燃料電池の構造の複雑化、高コスト化をまねく。
【０００５】
【非特許文献１】
「燃料電池」，燃料電池開発情報センター，２００３年，ＶＯＬ．２，ＮＯ．３，ｐ．９
【特許文献１】
特開２００２−３６７６６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の熱効率を良好にするためには、周囲を断熱材で覆うのが一般的である。しかし、燃料電池を締結する軸が、導電性セパレータ板内部を貫通する構造では、燃料電池の底面部が設置面と密着しているため、断熱材の取付けが困難であるという問題がある。
また、燃料電池を所定の位置へ運搬する場合、燃料電池が設置面と密着しているために、作業性が悪くなるという問題がある。
さらに、燃料電池を締結する軸が、導電性セパレータ板内部を貫通している場合、導電性セパレータ板および集電板が燃料電池の設置面と接しているため、外部の物質と接触する機会が増え、導電性セパレータ板への異物付着、損傷、および短絡がもたらす電池破損の可能性を有するという問題もある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑み、燃料電池への断熱材取付け等の作業性に優れ、移動および設置が容易で、また、導電性セパレータ板および集電板がむき出しの状態であっても、導電性セパレータ板または集電板の損傷、汚染および短絡がもたらす電池破損がない、高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板からなる単電池の複数個を積層した積層体、前記積層体を集電板および絶縁板を介して挟む端板、並びに前記端板を締結する締結手段を具備し、前記締結手段の締結用軸が導電性セパレータ板内を貫通する構造を有する燃料電池であって、アノード側およびカソード側の少なくとも一方の絶縁板または端板が、導電性セパレータ板および集電板の端面より設置面側に突出している突出部を有する高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、少なくとも一方の端板または絶縁板の端面が、導電性セパレータ板および集電板の端面より設置面側に突出している突出部を有し、この突出部を有する端板または絶縁板により単電池積層体および集電板を設置面から隔離するように燃料電池を支持する構成を有する。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、アノード側端板およびカソード側端板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、これらの端板により前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している。
本発明の他の好ましい実施の形態においては、アノード側絶縁板およびカソード側絶縁板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、これらの絶縁板により前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している。
本発明のさらに好ましい実施の形態においては、アノード側端板または絶縁板、およびカソード側絶縁板または端板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、これらの端板および絶縁板により前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している。
また、本発明の好ましい実施の形態においては、アノード側およびカソード側のうち一方の端板または絶縁板が、燃料電池の設置面側に突出部を有し、この端板または絶縁板と他方の端板とにより前記単電池の積層体および集電板を設置面から隔離して支持している。
以上の実施の形態において、アノード側の端板または絶縁板およびカソード側の端板または絶縁板が、設置面側と反対側の端面に突出部を有し、前記突出部は把手を有する。
【００１１】
本発明の好ましい燃料電池の一例を図３に示す。図において、設置面４０側に突出している突出部は、アノード側端板３６およびカソード側端板３５に有している。端板は、ステンレス鋼ＳＵＳ３０３などの硬い材質であることが好ましいが、適当な剛性と強度を有していれば他の金属材料でも良い。
【００１２】
また、本発明の別の好ましい燃料電池の一例を図５に示す。図において、設置面４０側と反対側に突出している突出部は、アノード側絶縁板３４Ａおよびカソード側絶縁板３３Ａに有している。絶縁板は、ＰＴＦＥなどの加工しやすい材質であることが好ましいが、それ以外の絶縁樹脂材料でも良い。
【００１３】
このように本発明の燃料電池は、絶縁板または端板の端面が、導電性セパレータ板および集電板の端面より設置面側に突出している突出部を有することにより、燃料電池への断熱材取付け等の作業性に優れ、移動および設置が容易で、また、導電性セパレータ板および集電板がむき出しの状態においても、導電性セパレータ板または集電板の損傷、汚染および短絡がもたらす電池破損がない、燃料電池を提供できる。
【００１４】
また、絶縁板または端板の端面が、設置面側と反対側の端面より突出している突出部を有し、この突出部に把手を設けることにより、加工時の作業性および燃料電池の移動時の運搬性向上が促進される。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１６】
図１は本発明の各実施例および比較例において作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成を示す横断面図である。
まず、各実施例および比較例における燃料電池に共通した電池の構造を図１を参照して説明する。
【００１７】
単電池１０は、高分子電解質膜１１、およびこれを挟むカソード１２およびアノード１３からなる電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）１８、カソード１２へ酸化剤ガスを供給するガス流路１４を有するカソード側導電性セパレータ板１６、およびアノード１３へ燃料ガスを供給するガス流路１５を有するアノード側導電性セパレータ板１７から構成されている。ＭＥＡ１８は、電解質膜１１の周縁部を挟むガスケット１９を有する。導電性セパレータ板１６および１７は、それぞれ背面に冷却水の流路を構成する溝２２および２３を有する。
【００１８】
この単電池を積層した燃料電池においては、１つの単電池のカソード側導電性セパレータ板１６と、これに隣接する単電池のアノード側導電性セパレータ板１７との間に、溝２２と２３による冷却水の流路が形成される。また、導電性セパレータ板１６および１７並びにＭＥＡ１８は、周縁部に酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の各入り口側マニホールド孔、出口側マニホールド孔、および締結軸用孔を有している。そして、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水は、それぞれ入り口側マニホールド孔からガス流路１４、１５および冷却水の流路に流入し、出口側マニホールド孔から排出される。図１では、燃料ガスの一対のマニホールド孔２５および締結軸用孔２６のみを示している。
【００１９】
カソード側導電性セパレータ板１６およびアノード側導電性セパレータ板１７は、いずれも大きさが１６０ｍｍ角、厚さが５ｍｍであり、ガス流路１４および１５の深さは２ｍｍ、幅は２ｍｍである。高分子電解質膜１１には、市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ膜）を用い、電極触媒にはＰｔ担持カーボンを、ガス拡散層にはカーボンペーパーをそれぞれ用いた。単電池１０を３０セル積層した。この単電池積層体を含む燃料電池の一例を図３に示す。単電池積層体３０の一方の端には、カソード側集電板３１および絶縁板３３を介してカソード側端板３５を、また他方の端にはアノード側集電板３２および絶縁板３４を介してアノード側端板３６をそれぞれ重ね合わせ、締結ボルトで締め付けて燃料電池を構成した。単電池積層体３０の両端部のカソード側導電性セパレータ板およびアノード側導電性セパレータ板は、背面に冷却水のための溝は設けていない。
【００２０】
《実施例１》
図２は本実施例の燃料電池の正面図であり、図３はその右側面図である。これらの図においては、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の各マニホールド孔に繋がる管および締結具は省略し、図２に締結具の頭部３８のみを示した。
本実施例では、燃料電池の設置面４０側に突出する突出部を有するカソード側端板３５およびアノード側端板３６を用いた。
【００２１】
燃料電池の設置面４０に接しているのは、カソード側端板３５およびアノード側端板３６であり、各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、絶縁板３３および３４は、設置面４０から１０ｍｍ離れている。
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、１０分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、１０分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着、損傷は無かった。
【００２２】
《実施例２》
図４は本実施例の燃料電池の正面図であり、図５はその右側面図である。図４および５において、図２および３と同じ構成については同じ符号を用いて説明を省略する。以下の図においても同様とする。
本実施例では、実施例１と同様に突出部を有するカソード側端板３５およびアノード側端板３６の他に、設置面４０側と反対側の端面より突出している突出部を有する絶縁板３３Ａおよび３４Ａを用いた。
【００２３】
燃料電池の設置面４０に接しているのは、カソード側端板３５およびアノード側端板３６であり、各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、絶縁板３３Ａおよび３４Ａは、設置面４０から１０ｍｍ離れている。カソード側絶縁板３３Ａおよびアノード側絶縁板３４Ａは、設置面４０の反対側に突出部を配置し、突出部には、把手３９を有している。
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、１０分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、５分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着、損傷は無かった。
【００２４】
図５では、カソード側絶縁板３３Ａおよびアノード側絶縁板３４Ａが、設置面４０側と反対側の端面に突出部を有するようにしたが、同様の突出部をカソード側端板３５およびアノード側端板３６に有するようにしてもよい。
【００２５】
《実施例３》
図６は本実施例の燃料電池の正面図であり、図７はその右側面図である。
本実施例では、燃料電池の設置面４０側に突出する突出部を有するカソード側絶縁板３３Ｂおよびアノード側絶縁板３４Ｂを用いた。
【００２６】
燃料電池の設置面４０に接しているのは、カソード側絶縁板３３Ｂおよびアノード側絶縁板３４Ｂであり、各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、端板３５Ｂおよび３６Ｂは、設置面４０から１０ｍｍ離れている。
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、１０分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、７分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着、損傷は無かった。
【００２７】
《実施例４》
図８は本実施例の燃料電池の右側面図である。
本実施例では、燃料電池の設置面４０側に突出する突出部を有するカソード側絶縁板３３Ｂおよびアノード側端板３６を用いた。
【００２８】
燃料電池の設置面４０に接しているのは、カソード側絶縁板３３Ｂおよびアノード側端板３６であり、各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、カソード側端板３５Ｂ、アノード側絶縁板３４は、設置面４０から１０ｍｍ離れている。
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、１０分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、８分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着、損傷は無かった。
【００２９】
図８では、カソード側絶縁板３３Ｂおよびアノード側端板３６が、設置面４０側に突出部を有し、設置面４０と接するようにしたが、同様の突出部をカソード側端板３５Ｂおよびアノード側絶縁板３４に設けて、設置面４０と接するようにしてもよい。
【００３０】
《実施例５》
図９は本実施例の燃料電池の側面図である。
本実施例では、燃料電池の設置面４０側に突出する突出部を有するアノード側端板３６を用いた。
燃料電池の設置面４０に接しているのは、カソード側端板３５Ｂおよびアノード側端板３６であり、各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、絶縁板３３および３４は、設置面４０から最大１０ｍｍ離れている。
【００３１】
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、１５分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、１５分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着、損傷は無かった。
図９では、設置面４０側に突出部を有するアノード側端板３６と、カソード側端板３５Ｂとが設置面４０と接するようにしたが、同様の突出部をカソード側端板３５Ｂに設けて、突出部を有するカソード側端板と、突出部を有さないアノード側端板とにより、単電池積層体３０および集電板３１、３２を設置面４０から隔離して支持するようにしてもよい。
【００３２】
《実施例６》
図１０は本実施例の燃料電池の側面図である。
本実施例では、燃料電池の設置面４０側に突出する突出部を有するアノード側絶縁板３４Ｂを用いた。
燃料電池の設置面４０に接しているのは、カソード側端板３５Ｂおよびアノード側絶縁板３４Ｂであり、各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、カソード側絶縁板３３、アノード側端板３６Ｂは、設置面４０から最大１０ｍｍ離れている。
【００３３】
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、１５分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、１３分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着、損傷は無かった。
図１０では、設置面４０側に突出部を有するアノード側絶縁板３４Ｂと、カソード側端板３５Ｂとが設置面４０と接するようにしたが、同様の突出部をカソード側絶縁板３３に設けて、突出部を有するカソード側絶縁板と、突出部を有さないアノード側端板とにより、単電池積層体３０および集電板３１、３２を設置面４０から隔離して支持するようにしてもよい。
【００３４】
《比較例１》
図１１は比較例の燃料電池の正面図であり、図１２はその右側面図である。
各セルの導電性セパレータ板、カソード側集電板３１およびアノード側集電板３２、絶縁板３３および３４、端板３５Ｂおよび３６Ｂの全てが、燃料電池の設置面４０に接している
この燃料電池を断熱材で覆う作業に要した時間は、２０分であった。この燃料電池を所定の位置まで運搬するのに要した時間は、２０分であった。また、設置面側の導電性セパレータ板への異物の付着が確認されたが、損傷は無かった。
【００３５】
実施例１〜６および比較例１の結果から、燃料電池の設置面から導電性セパレータ板および集電板を離すことにより、作業性の向上、および導電性セパレータ板の設置面側への異物付着の低減が確認された。さらに、燃料電池の設置面と反対側に把手を有する突出部を設けることにより、運搬性の向上も確認された。
【００３６】
本発明は、各実施例に記載の端板および絶縁板の形状などに限定されるものではなく、発明の趣旨から容易に置換可能な様々な修正および変形が可能である。材質に関しても、発明の趣旨から容易に置換可能な様々な材質が可能である。さらに、各実施例は高分子電解質型燃料電池に関するものであるが、本発明は、電池発電時に電気化学反応によりカソード側で反応生成物として水が生成される燃料電池の全てに適用した場合に、大きな効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、アノード側およびカソード側の少なくとも一方の絶縁板または端板が、導電性セパレータ板および集電板の端面より設置面側に突出している突出部を有することにより、燃料電池への断熱材取付け等の作業性に優れ、導電性セパレータ板への異物付着、損傷、および短絡がもたらす電池破損が無い高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
さらに、燃料電池の設置面と反対側の端面に把手を有する突出部を設けることにより、作業性、運搬性を良好にした高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高分子電解質型燃料電池の単電池の構成を示す横断面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池の正面図である。
【図３】同燃料電池の右側面図である。
【図４】本発明の実施例２の燃料電池の正面図である。
【図５】同燃料電池の右側面図である。
【図６】本発明の実施例３の燃料電池の正面図である。
【図７】同燃料電池の右側面図である。
【図８】本発明の実施例４の燃料電池の右側面図である。
【図９】本発明の実施例５の燃料電池の側面図である。
【図１０】本発明の実施例６の燃料電池の側面図である。
【図１１】比較例１の燃料電池の正面図である。
【図１２】同燃料電池の右側面図である。
【符号の説明】
１０  単電池
１１  高分子電解質膜
１２  カソード
１３  アノード
１４、１５  ガス流路
１６、１７導電性セパレータ板
１８  ＭＥＡ
１９  ガスケット
２２、２３  冷却水流路
２５  燃料ガスのマニホールド孔
２６  締結軸用孔
３０  単電池積層体
３１  カソード側集電板
３２  アノード側集電板
３３  カソード側絶縁板
３４  アノード側絶縁板
３５  カソード側端板
３６  アノード側端板
３８  締結具の頭部
３９  把手
４０  燃料電池の設置面
【図１】
2004349015.tif 000003
【図２】
2004349015.tif 000004
【図３】
2004349015.tif 000005
【図４】
2004349015.tif 000006
【図５】
2004349015.tif 000007
【図６】
2004349015.tif 000008
【図７】
2004349015.tif 000009
【図８】
2004349015.tif 000010
【図９】
2004349015.tif 000011
【図１０】
2004349015.tif 000012
【図１１】
2004349015.tif 000013
【図１２】
2004349015.tif 000014