(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックから容易に交換可能な燃料電池セルを有する燃料電池スタック及び燃料電池セルを提供する。【解決手段】扁平形状の燃料電池セル１０を複数組み合わせて構成された燃料電池スタックである。燃料電池スタックを構成する燃料電池セル１０は、一方の主面に反応物質の供給通路１８、２２が形成されたアノード側セパレータ１６及びカソード側セパレータ２０と、前記アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に存在する膜電極組立体２４、２５、２６と、前記アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、膜電極組立体とを積層した状態に固定する締付具２７を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平形状の燃料電池セル（１０，１０ａ）を複数組み合わせて構成された燃料電池スタック（１，１ａ）であって、
前記燃料電池セル（１，１ａ）は、
一方の主面に反応物質の供給通路（１８、２２）が形成されたアノード側セパレータ（１６）及びカソード側セパレータ（２０）と、前記アノード側セパレータ（１６）とカソード側セパレータ（２０）との間に存在する膜電極組立体（２４、２５、２６）と、前記アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、膜電極組立体とを積層した状態に固定する締付具（２７、３２、３３、３４）とを備えることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池セル（１０，１０ａ）は、前記膜電極組立体（２４、２５、２６）から前記燃料電池セルの外側へ延在するアノード極（２５ｘ）及びカソード極（２６ｘ）とを備え、当該アノード極及びカソード極を前記燃料電池セルの外部で直列に接続するコネクタ（１１）を備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記アノード側セパレータ（１６）及び／又はカソード側セパレータ（２０）は、非導電性であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータに設けられた反応物質の供給通路（１８、２２）は、前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの外部にまで延在する反応物質の供給口（１７、２１）及び排出口（１９、２３）を備え、前記供給口（１７、２１）及び排出口（１９、２３）は、反応物質の供給管（１２、１４）及び排出管（１３、１５）に着脱自在に連結されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池スタックに用いられている燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックおよび燃料電池に関し、特に電解質膜に高分子膜を用いた燃料電池セルを複数個積層したスタック構造を有する燃料電池スタック及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代のクリーンかつ高効率なエネルギー源として燃料電池が注目されている。中でも、固体高分子電解質を挟んでアノードとカソードを配置する固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は電気自動車用電源用途や家庭用分散型電源用途として注目されている。また、固体高分子型燃料電池の１つであるメタノールやジメチルエーテルなどの有機燃料を直接アノードに供給して発電する燃料電池、たとえば直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、メタノールなどの有機燃料を水素リッチなガスに改質するための改質機を必要としないため、構成が簡単となり携帯機器等の用途に注目され、開発が進められている。
【０００３】
前述のＰＥＦＣやＤＭＦＣといった燃料電池は、電解質膜を、触媒層を含むアノード極と触媒層を含むカソード極とで挟み込み、アノード極ならびにカソード極の外側に反応物質の供給通路を有するセパレータとで構成される燃料電池セルから構成される。しかし、燃料電池セル単独では十分な起電力が得られないため、特開平１０−２３３２２０号公報（特許文献１）や特開平１１−３５４１４２号公報（特許文献２）に示すように、前記燃料電池セルを直列に複数個組み合わせて構成された燃料電池スタックが広く用いられている。
【０００４】
ここで、特許文献１や特許文献２に開示されている従来の燃料電池スタックは、図８に示すような構造を有している。すなわち、電池スタック７０は、複数の燃料電池セル７１を積層した構造を有し、両端のエンドプレート７２、７３およびロッド７４、７５及び締めつけ具（ナット）７６によって、電池スタック全体を締め付ける構成としている。各燃料電池セル７１には、燃料及び酸化剤ガスを供給するための管状の供給管７７、７８が設けられており、各燃料電池セルの燃料入口および燃料出口、酸化剤ガス入口および酸化剤ガス出口にそれぞれ連結されている。すなわち、供給管７７、７８を経由して燃料電池スタック７０に供給された燃料及び酸化剤ガスは、それぞれ、各燃料電池セル７１のアノード及びカソードに供給し、燃料出口及び酸化剤ガス出口から排出される。
【０００５】
また、上記燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルは、連続して隣り合うセパレータを共用する。図９は、上記燃料電池スタックの燃料電池セルの一般的構成を示す図である。これらの燃料電池セル７１は、電解質膜８１を、触媒層を含むアノード極８２と触媒層を含むカソード極８３とで挟みこみ、アノード極並びにカソード極に接触するように反応物質の供給通路８４、８５を有するセパレータ８６とを有している。
【特許文献１】特開平１０−２３３２２０号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４１４２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、ＰＥＦＣやＤＭＦＣといった燃料電池は発電時には、例えばＰＥＦＣではアノード極に水素、カソード極に空気を、例えばＤＭＦＣではアノード極にメタノール水溶液、カソード極に空気が加圧供給される。また、カソード極ではＰＥＦＣ、ＤＭＦＣともに水が生成される。しかし、アノード極に供給される圧力とカソード極に供給される圧力の差圧や、生成された水により電解質膜がたるむように変形したり、触媒層の剥離が生じたりする。さらには電解質膜が破損するといった課題が生じていた。
【０００７】
この電解質膜の変形や触媒層の剥離は燃料電池セルの性能低下につながり、電解質膜の破損は、アノードへ供給される物質とカソードへ供給される物質が混合されるため電池としての機能が損なわれてしまう。
【０００８】
ここで、燃料電池セルの低下や電解質膜の破損は燃料電池スタック内の一部の燃料電池セルで生じる。しかしながら、上述の燃料電池スタックでは、隣り合う燃料電池セルが一体化していたり、燃料電池スタックを強固に締付を行っているため、低下した燃料電池セルの交換が不可能、もしくは困難であり、燃料電池スタック全体を交換する必要があった。
【０００９】
さらに、燃料電池スタックを作成する場合に、すべての燃料電池セルを一度に重ね合わせて固定するため、それぞれの燃料電池セルの重ね合わせに極めて精巧な精度が必要となり、作成時の歩留りが悪くなるという問題があった。
【００１０】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルを複数個積層してなる例えばＰＥＦＣやＤＭＦＣなどの燃料電池において、燃料電池スタックから容易に交換可能な燃料電池セルを有する燃料電池スタック及び燃料電池セルを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１態様にかかる燃料電池スタックは、扁平形状の燃料電池セルを複数組み合わせて構成された燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セルは、
一方の主面に反応物質の供給通路が形成されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、前記アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に存在する膜電極組立体と、前記アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、膜電極組立体とを積層した状態に固定する締付具とを備える。
【００１２】
本発明の第２態様にかかる燃料電池スタックは、前記燃料電池セルが前記膜電極組立体から前記燃料電池セルの外側へ延在するアノード極及びカソード極を備え、当該アノード極及びカソード極を前記燃料電池セルの外部で直列に接続することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第３態様にかかる燃料電池スタックは、前記アノード側セパレータ及び／又はカソード側セパレータが非導電性であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第４態様にかかる燃料電池スタックは、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータに設けられた反応物質の供給通路が前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの外部にまで延在する反応物質の供給口及び排出口を備え、前記供給口及び排出口は、反応物質の供給管及び排出管に着脱自在に連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのそれぞれが、締付具によって固定されているため、燃料電池スタックから燃料電池セルのみを用意に取り出すことができる。したがって、例えば、劣化した燃料電池セルのみを単独で取り除いて交換することが容易である。
【００１６】
また、燃料電池セルを燃料電池スタックに組み立てる場合において、燃料電池セルの外側へ延在するアノード極及びカソード極を備えることにより、電極を燃料電池セルの外部で直列に連結することができ、燃料電池セルを用意に組み立てることができる。
【００１７】
さらに、燃料電池セルに用いられるセパレータを非導電性にすることにより、安価な材料を用いることができ、燃料電池セルのコストを抑えることができる。
【００１８】
さらに、燃料電池スタックを作成する際の重ね合わせ精度は、重ね合わせ精度が必要な触媒層を含むアノード極やカソード極が、それぞれ燃料電池セル内で固定されていることにより、重ね合わせ精度の許容値が大きくなる。これにより、燃料電池スタックの作成時の歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの組立構成図である。図２は、図１の燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルの構成を示す斜視図である。本発明の第１態様の燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料電池スタック１は、扁平形状の燃料電池セル１０を複数積層したような構成を有する。それぞれの燃料電池セルは、電気接続部１１によって電気的に接続されている。また、各燃料電池セル１０は、各燃料電池セルのアノードに燃料を供給する燃料供給管１２、アノードからの燃料を排出する燃料排出管１３、各燃料電池セルのカソードに空気を供給する空気供給管１４、カソードからの空気を排出する空気排出管１５を備えている。
【００２０】
電気接続部１１は各燃料電池セル１０間でのアノード極２５ｘとカソード極２６ｘを接続するものであり、導電性材料が用いられる。電気接続部１１は各燃料電池セル１０に着脱可能に配設される構成のものであることが好ましく、例えば、金属製のクリップ等を好適に用いることができる。また、各燃料電池セル１０内での短絡を防止するため、燃料電池セルの電極部との接続部以外は絶縁材料で覆われていることが好ましい。
【００２１】
燃料供給管１２はアノード側セパレータ１６の燃料供給口１７に接続され、アノード側セパレータ１６の流路１８に燃料を供給し、燃料排出口１９に接続された燃料排出口１９から未反応の燃料と反応生成物を回収する。燃料供給管１２と燃料供給口１７との接続部、ならびに燃料排出管１３と燃料排出口１９との接続部は、例えばコネクタなどを用い着脱可能な構成とする。
【００２２】
空気供給管１４はカソード側セパレータ２０と空気供給口２１に接続され、カソード側セパレータの流路２２に空気を供給し、空気排出口２３に接続された空気排出管１５から未反応の空気と反応生成物を回収する。空気供給管１４と空気供給口２１との接続部、ならびに空気排出管１５と空気排出口２３との接続部は、例えばコネクタなどを用い着脱可能な構成とする。
【００２３】
図３は図２の燃料電池セルの分解斜視図である。燃料電池セル１０は膜電極接合体２４とアノード側拡散層２５、カソード側拡散層２６、アノード側セパレータ１６、カソード側セパレータ２０、締付具２７からなる。
【００２４】
膜電極接合体２４はイオン伝導性膜２８の中央部にアノード２９とカソード（図３においてはカソードは裏側に配置されているため見えない。）とを備え、アノード２９、カソードにはそれぞれＰｔやＰｔ−Ｒｕといった貴金属坦治炭素触媒が設けられている。例えば膜電極接合体２４は、イオン伝導性膜２８としてＤｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ１１２（商標）が用いられ、アノード２９、カソードとしてＰｔ坦治炭素触媒からなる所定の厚さ（例えば２５μｍ）を有する成形体であって、イオン伝導性膜２８の中央部にＰｔ坦治炭素触媒が密着されており、所定の白金坦治量（例えば０．７ｍｇ／ｃｍ２）に調整されている。
【００２５】
アノード側拡散層２５及びカソード側拡散層２６は、燃料、空気をそれぞれ拡散させるための層であり、本実施の形態では集電板としての機能も兼ねている。用いられる材料としては、例えばカーボンペーパー等の多孔性の炭素材料や発泡金属などが好ましい。なお、本図では図示していないが、拡散層とセパレータの間にシール部が設けられていてもよい。
【００２６】
アノード側セパレータ１６、カソード側セパレータ２０は、厚み方向に扁平な板状の非導電体で構成されており、それぞれ拡散層２５、２６と接触する側の主面にそれぞれアノード側流路１８、カソード側流路２２が形成されている。また、アノード側流路１８はアノード側セパレータ１６の内部で、上部の燃料供給口１７と下部の燃料排出口１９とへ連通して形成されており、上述のように燃料が燃料供給口１７から導入されてアノード側流路１８を通って燃料排出口１９から排出される。同様にカソード側流路２２は、上部の空気供給口２１と空気排出口２３とに連通して形成される。
【００２７】
また、アノード側セパレータ１６およびカソード側セパレータ２０にはそれぞれ締付具用溝３０が作成されている。締付具用溝３０はそれぞれのセパレータ１６、２０の各辺に１つ以上あることが好ましい。
【００２８】
締付具（図３では簡略化のため１つのみ図示）はアノード側セパレータ１６、アノード側拡散層２５、膜電極接合体２４、カソード側拡散層２６、カソード側セパレータ２０がそれぞれ密着して重なり合った状態となるようにこれらを固定するものであり、本実施の形態ではコの字型の金属製クリップが用いられている。
【００２９】
また、締付具の変形例として、例えば図４に示すような伸縮性のバンド３２（図４では簡略化のため１つのみ図示）を用いても良く、図５に示すようにネジ３３とナット３４を用いてもよい。バンド３２ならびにネジ３３及びナット３４で固定される場合、それぞれのセパレータ１６、２０に設けられる締付具用溝は、それぞれ締付具用溝３１、固定用孔３５のように、用いられる締付具の種類に応じて変更する。
【００３０】
本実施形態にかかる燃料電池スタック１は燃料電池セル１０のアノード側セパレータ１６の燃料供給口１７に燃料供給管１２から燃料、例えばＰＥＦＣなら水素、ＤＭＦＣならメタノール水溶液が供給される。供給された燃料はアノード側流路１８を通り、一部はアノード側拡散層２５からアノード２９へ供給され、一部は燃料排出口１９から燃料排出管１３へ排出され、回収、循環される。このときアノード側での生成物も排出される。カソード側セパレータ２０の空気供給口２１には空気供給管１４から空気が供給され、流路２２を通り、一部はカソード側拡散層２６からカソードへ供給され、一部は空気排出口２３から空気排出管へ排出される。このときカソードで生成された水等も同時に排出される。アノード２９へ供給された燃料およびカソードへ供給された空気は、それぞれ触媒で分解され、分解されたプロトンがイオン伝導性膜２８を通ってアノード２９からカソードへ移動し、同時に発電する。各燃料電池セル１０は電気接続部７によって、各燃料電池セル１０の外部で直列に接続されているため、燃料電池スタック１は燃料電池セル１０よりも高い電圧を供給することができる。
【００３１】
このとき、燃料電池スタック１は燃料電池セル１０がそれぞれ締付具２７、３２、３３、３４で固定されているため、燃料漏れ防止等のための燃料電池スタック全体としての締付が不要である。ここで、燃料電池を長期間使用すると、一部の燃料電池セル１０が劣化する。本実施の形態では燃料電池スタック１の全体の締付が行われておらず、また、燃料電池セル１０への電気接続部などの接続個所はそれぞれ着脱可能に構成されているため、劣化した燃料電池セル１０単体だけを容易に燃料電池スタック１から取り外すことが可能である。よって、燃料電池セル１０を容易に交換することができる。
【００３２】
また、燃料電池セル１０が外部で直列に接続されているため、セパレータ１６、２０が非導電性で構成することができる。そのため、高価なカーボン材料を用いる必要がなく、アクリル板やポリカーボネートといった安価なプラスチック材料を用いることが可能となり、コストを大幅に削減できる。
【００３３】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池スタック概略図である。本実施形態にかかる燃料電池スタック１ａは、燃料電池セル１０ａを５つ用いているが、用いられる燃料電池セルの数はこれに限られるものではない。本実施形態にかかる燃料電池スタック１ａは、第１実施形態にかかる燃料電池スタック１と燃料及び空気の通過経路を変更したものである。以下、相違点を中心として説明する。
【００３４】
燃料電池スタック１ａは燃料電池セル１０ａ、燃料供給管１２、燃料排出管１３、空気供給管１４、空気排出管１５、締付具としての締付バンド３６を備える。締付バンド３６は燃料電池セル１０ａ同士を固定し、アノード側セパレータとカソード側セパレータを密着させた状態に固定するものであり、例えばゴムバンドや布製のベルトなどを用いることができる。
【００３５】
燃料電池セル１０ａは、隣り合う燃料電池セルとの間の燃料及び空気漏れを防止するために、隣り合う燃料電池セルの燃料供給口と燃料排出口がＯリング等のパッキン（図示なし）を介して接続され、空気供給口と空気排出口もパッキンを介して接続される。
【００３６】
図７は、図６の燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルの分解斜視図である。アノード側セパレータ１６、カソード側セパレータ２０は、それぞれ拡散層側の表面にそれぞれアノード側流路１８、カソード側流路２２が形成されている。アノード側セパレータ１６は、アノード側流路１８の一端に接続し、裏面まで貫通して設けられる燃料供給口１７と、アノード側流路１８の末端に接続し、同じ面に設けられた溝延長部４０が設けられている。溝延長部４０から排出された燃料は、アノード側拡散層２５、膜電極接合体２４、カソード側拡散層２６の外部を通過もしくは貫通し、カソード側セパレータ２０に貫通して設けられた燃料排出口１９ａへ接続する。また、アノード側セパレータ１６には、アノード側拡散層２５、膜電極接合体２４、カソード側拡散層２６の外部を通過もしくは貫通し、カソード側セパレータ２０のカソード側流路２２に接続する空気排出口２１ａが設けられている。
【００３７】
同様に、カソード側セパレータ２０は、アノード側セパレータの空気供給口２１ａに接続し、カソード側流路２２の上流側に接続する溝延長部４１が設けられている。また、カソード側流路２２の末端には、裏面まで貫通して設けられる空気排出口２３を備える。空気の排出は、空気供給口２１から、隣り合う別の燃料電池セルのアノード側セパレータ１６に設けられた空気排出口２３ａを通って、アノード側拡散層２５、膜電極接合体２４、カソード側拡散層２６の外部を通過もしくは貫通し、当該隣り合う燃料電池セルのカソード側セパレータ２０の溝延長部４１へ接続される。
【００３８】
本実施形態においては、アノード側セパレータ１６、カソード側セパレータ２０は例えば、カーボン材料などの導電性材料から構成される。
【００３９】
燃料電池セル１０ａを組み合わせる場合は、隣り合う燃料電池セル１０ａの燃料供給口１７と燃料排出口１９ａを、空気供給口２１ａと空気排出口２３が接続されるように、上下反転して並べる。供給口と排出口の接続には例えばＯリング等のパッキンやコネクタを用いて、燃料や空気の漏れを防止する。
【００４０】
本実施の形態では、燃料電池スタック１ａは燃料電池セル１０間のアノード側セパレータ１６とカソード側セパレータ２０を接する必要がある。しかし、燃料電池セル１０ａ単体の締め付けを行っているため、燃料電池スタックを構成する際にロッドとナットなどを用いて強固に締めつける必要はなく、ゴムバンドや布製ベルトなどから構成される締付バンド３６などで締めつければよい。これにより、締め付けられた個々の燃料電池スタック１ａは簡易に取り外すことができ、劣化した燃料電池セル１０ａ単体だけを容易に燃料電池スタック１ａから取り外すことができる。よって燃料電池セルの交換が容易になる。
【００４１】
本実施形態にかかる燃料電池スタック１ａは、アノード側セパレータ１６とカソード側セパレータ２０が導電体で構成され、隣り合う燃料電池セル１０ａのセパレータが直接接するため、燃料電池スタック全体としては、両端の燃料電池スタックの外部電極２５ｘ、２６ｘから高い電圧を供給することができる。
【００４２】
なお、両端の燃料電池セル１０ａは、拡散層が集電板を兼ねているため、アノード側拡散層２５、およびカソード側拡散層２６をそれぞれ燃料電池セル１０のアノードとカソードの外部電極２５ｘ、２６ｘとして用いている。
【００４３】
なお、本実施の形態は本発明の一例を示したものであり、その構成は本実施の形態に限定されるものではなく、例えば第１の実施形態と第２の実施形態の構成を組み合わせてもよい。
【００４４】
以上説明したように、本発明の各実施形態にかかる燃料電池スタック１，１ａによれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルが、それぞれ単独で締付具により締めつけられており、スタックから自由に取外しすることができるため、劣化した燃料電池セル単体だけを容易に交換することができる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの組立構成図である。
【図２】図１の燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルの構成を示す斜視図である。
【図３】図２の燃料電池セルの分解斜視図である。
【図４】第１変形例にかかる燃料電池セルの分解斜視図である。
【図５】第２変形例にかかる燃料電池セルの分解斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池スタック概略図である。
【図７】図６の燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルの分解斜視図である。
【図８】従来の燃料電池スタックの構成例を示す図である。
【図９】従来の燃料電池スタックに用いられる燃料電池セルの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１,１ａ  燃料電池スタック
１０,１０ａ  燃料電池セル
１１  電気接続部
１２  燃料供給管
１３  燃料排出管
１４  空気供給管
１５  空気排出管
１６  アノード側セパレータ
１７  燃料供給口
１８  アノード側流路
１９,１９ａ  燃料排出口
２０  カソード側セパレータ
２１,２１ａ  空気供給口
２２  カソード側流路
２３,２３ａ  空気排出口
２４  膜電極接合体
２５  アノード側拡散層
２６  カソード側拡散層
２８  イオン伝導性膜
２９  アノード
３１  締付具用溝
３２  バンド
３３  ネジ
３４  ナット
３５  固定用孔
３６  締付バンド
４０，４１  溝延長部
【図１】
2005100807.tif 000003
【図２】
2005100807.tif 000004
【図３】
2005100807.tif 000005
【図４】
2005100807.tif 000006
【図５】
2005100807.tif 000007
【図６】
2005100807.tif 000008
【図７】
2005100807.tif 000009
【図８】
2005100807.tif 000010
【図９】
2005100807.tif 000011