(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを容易に構成することが可能で、さらに一体化のためのコストが安く、また、燃料電池スタックの体積出力密度の向上につながる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配された電解質膜−電極接合体と、その燃料極側に燃料を供給するための燃料極セパレータと、その酸化極側に酸化剤を供給するための酸化極セパレータを備え、これらが、複数枚積層されている燃料電池スタックにおいて、前記スタックが積層後、熱溶着等により接着して一体化されたものであることを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配された電解質膜−電極接合体と、その燃料極側に燃料を供給するための燃料極セパレータと、その酸化極側に酸化剤を供給するための酸化極セパレータを備え、これらが、複数枚積層されている燃料電池スタックにおいて、前記スタックが積層後、接着して一体化されたものであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料極セパレータ、前記酸化極セパレータ及びエンドプレートを樹脂を含有する材料で構成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記スタックが前記樹脂により熱溶着されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記電解質膜−電極接合体の周囲に樹脂製フレームを設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セパレータの流路部分と前記樹脂製フレーム又は前記樹脂製フレームに積層されたパッキングに接する部分の厚さが異なることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記積層されたスタックに複数の貫通孔が設けられ、前記貫通孔内に樹脂製の接続棒が挿入され、前記接続棒が少なくとも前記エンドプレートと接着されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
燃料電池からの出力を取り出すために設けられる前記スタックの端子板を燃料及び酸化剤と直接接しない構造としたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記端子板とは別に燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を設け、前記端子板の一部に前記部材を固定するための構造を設けることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
エンドプレートの一部に前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を固定するための構造を設けることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材と共に冷却水の供給や排出を行うための部材を設け、前記端子板、前記エンドプレートの一部に前記部材を固定するための構造を設けることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記端子板もしくは前記エンドプレートと前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材との間で電気的な絶縁が取られていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材に、それぞれの流体の漏れを防止するためのパッキング構造を設けることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配され、その燃料極側に燃料を供給するための燃料極セパレータと、その酸化極に空気等の酸化剤を供給するための酸化極セパレータを備え、これらが、複数枚、積層されている燃料電池スタック、いわゆるバイポーラー構造をもつ燃料電池、特に固体高分子型燃料電池、直接メタノール型燃料電池、液体燃料供給型燃料電池スタックに関するものであり、特に、その一体化手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。特にプロトン導電性高分子固体電解質を電解質に用いた固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であり、移動体用電源、家庭用コジェネレーション電源、携帯用電源として有望である。
【０００３】
これらの燃料電池は、電解質膜の両側に燃料極及び酸化極を接合した電解質膜−電極接合体とこれらに燃料及び酸化剤を供給するための流路構造を持ったセパレータ板を多数積層して構成される。
【０００４】
燃料電池のセパレータ板は燃料及び酸化剤を供給するための流路構造とともに、燃料電池からの出力電流を取り出すために、導電性が要求され、通常厚さ１〜１０ｍｍ程度の炭素製、炭素粉末と樹脂のコンポジット製、もしくは金属製の板が用いられる。また、セパレータ板とは別に燃料電池の冷却のために冷却水を流すための流路構造を設けた冷却板が燃料電池、単セル、もしくは複数セル毎に設けられ、燃料電池スタックの冷却が図られる。この冷却板の材質としても前述したセパレータ板と同様の炭素製、炭素粉末と樹脂のコンポジット製、もしくは金属製の板が用いられる。
【０００５】
このような燃料電池は通常単電池あたり取り出し得る電圧は固体高分子型燃料電池で０．５〜０．８Ｖ程度、直接メタノール型燃料電池で０．３〜０．４Ｖ程度であるため、燃料電池の使用用途に合わせて、数セルから数百セル直列に接続する必要がある。このような直列接続を行うために複数の電解質膜−電極接合体とセパレータ板、冷却板を積層した集合電池が燃料電池スタックと呼ばれる。また、このように積層して構成した燃料電池スタックをバイポーラー型燃料電池スタックと呼ぶ。
【０００６】
このようなバイポーラー型の燃料電池スタックは比較的簡単な部品を積層することで任意の必要な電圧まで積層できる、構造がシンプルで設計の自由度が大きいといった特長がある。
【０００７】
このようなバイポーラー型の燃料電池スタックは燃料電池の最も基本的な構造であり、移動体用、コジェネレーション用、携帯用等のほとんどの燃料電池がこの構造のスタックを採用している。
【０００８】
しかしながら、上記のような特長を持つバイポーラー型燃料電池は、複数のボルトナットでスタック全体を均等に締め付ける必要があり、その締め付けに時間がかかり、スタック製造コスト増加の原因となっていた。また、燃料電池スタック内にその締め付けのための空間が必要であり、さらに締め付け部分を設けるためにエンドプレートを大きくする必要があった。このため、燃料電池スタックの軽量化の障害となるとともに、体積出力密度を大きく下げる要因となっていた。
【０００９】
これらの点から、バイポーラー型燃料電池スタックの出力密度の向上、コストダウン、製造プロセスの簡略化を図るためにはスタックの締め付け方法の改良が不可欠であった。
【００１０】
このような観点から、ばね構造及びボルトによる締め付け具を用いて、スタックの締め付けを行う方法（特許文献１参照）が提案されているが、この方法ではコンパクト化に対しては一定の効果があるものの、スタックの締め付けをばね構造と、ボルトによる締め付けで行っており、締め付け具自体は固定されていないため、振動や衝撃に対して弱いという問題点があった。
【特許文献１】特開２００１−１２６７４９号公報
【００１１】
また、筒状のモジュール形成部材の中にスタックを入れ、外部から、圧力をかけた状態でこのモジュール形成部材の一部をカシメ、これによって、スタックの積層方向に圧縮圧をかける方法（特許文献２参照）も提案されているが、この方法では、筒状のモジュール構成部材の中にスタック構成部材を挿入することが難しいといった問題点があった。
【特許文献２】特開平９−９２３２４号公報
【００１２】
さらに、高分子電解質型燃料電池の電極膜複合体をシール材により一体化する方法（特許文献３参照）、高分子電解質型燃料電池の電解質膜を接着剤付きシートにより一体化する方法（特許文献４参照）も公知であるが、これらは、いずれも、燃料電池スタックを一体化する技術ではない。
【特許文献３】特開平８−４５５１７号公報
【特許文献４】特開平９−２８９０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を解決し、燃料電池スタックを容易に構成することが可能で、さらに一体化のためのコストが安く、また、燃料電池スタックの体積出力密度の向上につながる燃料電池スタックを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
すなわち、プロトン導電性高分子固体電解質膜とその両側に一対の燃料極と酸化極が配された電解質膜−電極接合体と、その燃料極側に燃料を供給するための燃料極セパレータと、その酸化極側に酸化剤を供給するための酸化極セパレータを備え、これらが、複数枚積層されている燃料電池スタックにおいて、上記スタックが積層後、接着して一体化されたものであること特徴とするものである。
なお、燃料としては、水素ガス、又はメタノール等の有機物を含有する溶液を使用することができ、酸化剤としては、空気等の酸素を含有するガスを使用することができる。
【００１５】
前記燃料電池スタックにおいては、燃料極セパレータ、酸化極セパレータ及びエンドプレートを樹脂を含有する材料で構成することが好ましい。このような部材を樹脂を含有する材料で構成することによって、一体化の接着が容易になるとともにコストダウン、軽量化にも役立つ。
【００１６】
また、セパレータ、エンドプレートに含有されている樹脂を熱可塑性樹脂とすることにより、接着手段として熱溶着を用いることが可能となり、接着にかかる時間を大幅に低減することができる。
【００１７】
前記燃料電池スタックにおいては、電解質膜−電極接合体の周囲に樹脂製フレームを設けることが好ましい。一般にナフィオンに代表されるフッ素樹脂系電解質膜は接着時のぬれ性が悪く、吸水性が大きく、また、吸水による寸法変化が大きいため、一体化の際に接着に適さない。このため、このような電解質膜にＰＰ等の樹脂のフレームを設けることによって接着が容易となる。
【００１８】
また、樹脂製フレームを設けた場合には、セパレータの流路部分と樹脂製フレーム又は樹脂製フレームに積層されたパンキングに接する部分の厚さが異なることを特徴とする。従来のセパレータでは燃料、酸化剤の流路の畝部分とパッキングの当る部分は同一平面上に構成されるのが一般的であるが、本発明のようにフレームを設けると、その厚み分だけはフレームもしくはパッキングの当り面を掘り下げるか酸化極および燃料極のガス拡散層の厚みを厚くする必要があるが、後者は電池特性に与える影響が大きく、このためセパレータのフレームもしくはパッキングの当り面を掘り下げる方が合理的である。
【００１９】
さらに、前記燃料電池スタックにおいては、積層されたスタックに複数の貫通孔が設けられ、貫通孔内に樹脂製の接続棒が挿入され、さらにこの接続棒が少なくともエンドプレートと接着されていることを特徴とするものであって、このようにすることによって、一層、簡便にかつ、強固にスタックを一体化することが可能となる。また、材料の膨張、収縮による接触抵抗の変化に対してもある程度緩和が可能である。
なお、積極的に締め付け圧の均一化を図るために、スタック中にゴムシートや板ばね構造のような弾性部材を取り入れることもできる。
【００２０】
また、前記燃料電池スタックにおいては、燃料電池からの出力を取り出すために設けられる前記スタックの端子板が燃料及び酸化剤と直接接しない構造とすることが好ましい。このような構造とした場合には、燃料及び酸化剤と端子板が直接接することがないため、端子板の腐蝕や不純物の混入を防ぐことができる。
【００２１】
前記スタックの端子板が燃料及び酸化剤と直接接しない構造とするために、前記端子板とは別に燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を設け、前記端子板の一部に前記部材を固定するための構造を設ける。
【００２２】
前記燃料電池スタックにおいては、燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を固定するための構造がエンドプレートによって締め付けられ固定される場合がある。
その場合には、エンドプレートの一部に前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を固定するための構造を設ける。
【００２３】
前記燃料電池スタックにおいては、前記燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材と共に冷却水の供給や排出を行うための部材を設ける場合もある。この場合には、燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材と同様に、前記端子板、前記エンドプレートの一部に冷却水の供給や排出を行うための部材をを固定するための構造を設ける。
【００２４】
さらに、前記端子板もしくは前記エンドプレートと前記燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材との間で電気的な絶縁が取られていることが好ましく、それぞれの流体の漏れを防止するためのパッキング構造が必要となる場合がある。
【００２５】
上記のように、燃料、酸化剤、冷却水と端子板やエンドプレートが直接接しない構造とする場合には、端子板やエンドプレートの腐蝕や不純物の混入が問題とならない。そこで、これらと直接接する部材にのみ耐食性をもたせれば良いことになる。従って、端子板の材質には銅やアルミニウム、これらの合金といった抵抗は小さいものの比較的腐蝕しやすい材料を用いることができ、エンドプレートの材質には耐食性を考慮せず機械的強度のみを考慮した材料を用いることができる。
【００２６】
また、燃料及び酸化剤の供給や排出又は冷却水の供給や排出を行うための部材には耐食性が要求される。このため、これらの部材は、例えば、ステンレス等の耐食金属材料や樹脂材料で構成される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、バイポーラー型の燃料電池スタックを積層後、接着して一体化することによって、締め付けのためのバネやボルトが不要となり、スタックをコンパクト化することができる。また、このような部材が不要になることによって大幅なコストダウンが可能になる。さらに、燃料、酸化剤、冷却水と端子板が直接接しない構造とする場合には、端子板の腐食を防ぐことができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、スタックを接着して一体化する手段、燃料及び空気の供給や排出を行うための部材の構造、材質等は適宜変更可能なものである。
【００２９】
図１、２に、本発明の燃料電池スタックの構造と一体化手段の一例を示す。
本発明例では、エンドプレート（１）、セパレータ板（２）を樹脂を含む材質で構成し、積層後に図２に示すように両サイドからあて板（３）をあて、エンドプレート（１）もしくはセパレータ板（２）とエンドプレート（１）の両方をこのあて板（３）と接着して一体化した。接着の方法としては、接着剤を用いても良いし、熱溶着を行っても良い。
【００３０】
図３、４に、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）（４）に樹脂製フレーム（５）を設ける場合を示す。
図３のようにＭＥＡ（４）に位置決め孔（６）をあけ、樹脂製フレーム（５）に位置決めピン（７）を設けて、両者を一体化する方法や図４のように、額縁状の樹脂製フレーム（５）に直接ＭＥＡ（４）を入れ込むことが可能である。いずれにしても、このように樹脂製フレームを設けることは、スタックの一体化を図るうえで有効である。
【００３１】
また、図５にスタックの積層方向から見た断面図を示す。図５（ａ）、（ｂ）は本発明のスタックを示し、図５（ｃ）は従来のスタックを示す。
従来の構造では、セパレータ板（２）の流路の畝部分とパッキング（８）の当る部分は同一面上に形成されているが、本発明例では、フレーム（５）を設けているため、その厚み分だけセパレータ板（２）のフレーム（５）もしくはパッキング（８）への当り面を掘り下げている。
【００３２】
次に、本発明の燃料電池スタックの構造と一体化手段の別の例を図６、７に示す。
図６のようにエンドプレート（９）、パッキング（１０）、端子板（１１）、セパレータ板（１２）、ＭＥＡ（１３）等に貫通孔（１４）を開けておき、この孔に図７に示すような樹脂製の接続棒（１５）を挿入し、少なくともエンドプレート（９）とこの棒を溶接することによってより強固に一体化することができる。
【００３３】
図８に、スタックの端子板が燃料及び酸化剤と直接接しない構造とする場合の例を示す。
図１のスタックにおいては、燃料及び酸化剤の供給・排出口が端子板に設けられているが、本発明例においては、端子板とは別に燃料及び酸化剤の供給や排出を行うための部材を設けるものである。
エンドプレート（１６）及び端子板（１７）には、燃料の供給を行うための部材（１８）及び空気の供給を行うための部材（１９）の一部が貫通するように貫通孔（２０）が設けられている。燃料及び空気の供給を行うための部材（１８）及び（１９）はフランジつきのパイプ状であり、パイプ状部材（１８）及び（１９）が端子板（１７）及びエンドプレート（１６）を貫通し、そのフランジ部を介して端子板（１７）がセパレータ板（２）に押し当てられ、さらに、エンドプレート（１６）によって押さえつけられる構造となっている。この例では端子板（１７）は接触抵抗を低下させかつ該抵抗を低く維持するために金メッキしたＡｌ合金製であり、燃料及び空気の供給を行うための部材（１８）及び（１９）は樹脂製である。また、フランジ部が当接する端子板（１７）の表面には段部を設けて端子板（１７）とセパレータ板（２）とが密接するようにすると共に、フランジ部とセパレータ板（２）との間にはシール用リング（１８ａ）及び（１９ａ）を設けてリーク防止を図るようにする。
なお、図示されていない燃料及び空気の排出を行うための部材も、同様の構造及び材質のものである。
また、パッキングを兼ねたシリコン製の絶縁板（２１）によって端子板（１７）とエンドプレート（１６）とが絶縁されるように接続されている。
【００３４】
比較のために、従来の燃料電池スタックの一例を図９に示す。
複数本のボルトナット（２２）で締め付けられており、これらの組立て取り外しを行うのは大変であった。また、これらのボルトナットを取り付けるために、セパレータ板（２）に対して一回り大きなエンドプレート（２３）を設ける必要があり、これによってスタック内に余剰な空間が生じるため、出力密度の低下の原因であった。
また、スタックの組立て時には、多くのボルトを締める必要があり、組みたてに多くの時間を要するとともに、金属製のボルトナットが必要であり、高コストであり、また重量の点からも不利であった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料電池スタックの構造の一例を示す組み合わせ図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの一体化手段の一例を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの電解質膜−電極接合体に樹脂製フレームを設ける場合の図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの電解質膜−電極接合体に額縁状の樹脂製フレームを設ける場合の図である。
【図５】燃料電池スタックの積層方向から見た断面図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの構造の別の例を示す組み合わせ図である。
【図７】本発明の燃料電池スタックの一体化手段の別の例を示す図である。
【図８】本発明の燃料電池スタックの端子板が燃料及び酸化剤と直接接しない構造とする場合の図である。
【図９】従来の燃料電池スタックの構造と一体化手段の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    エンドプレート
２    セパレータ板
３    あて板
４    電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）
５    樹脂製フレーム
６    位置決め孔
７    位置決めピン
８    パッキング
９    エンドプレート（樹脂製の接続棒を挿入するための貫通孔有り）
１０  パッキング（樹脂製の接続棒を挿入するための貫通孔有り）
１１  端子板（樹脂製の接続棒を挿入するための貫通孔有り）
１２  セパレータ板（樹脂製の接続棒を挿入するための貫通孔有り）
１３  ＭＥＡ（樹脂製の接続棒を挿入するための貫通孔有り）
１４  樹脂製の接続棒を挿入するための貫通孔
１５  樹脂製の接続棒
１６  エンドプレート（燃料の供給を行うための部材を挿入する貫通孔有り）
１７  端子板（燃料及び空気の供給を行うための部材を挿入する貫通孔有り）
１８  燃料の供給を行うための部材
１９  空気の供給を行うための部材
２０  燃料及び空気の供給を行うための部材を挿入する貫通孔
２１  パッキング（燃料及び空気の供給を行うための部材を挿入する貫通孔有り）
２２  ボルトナット
２３  従来のエンドプレート
【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】
2005322543.tif 000009
【図８】
2005322543.tif 000010
【図９】
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