(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記電解質膜を挟んだ一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する手段とを具備した単位電池を複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、
前記積層電池の両端面を押さえるエンドプレートと、前記両エンドプレートを締結する帯状のバンドからなる締結部材と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力を与えるばねを有した補助プレートと、ボルトを有した補助プレートとを具備し、前記ばねが皿状の形態を有するばねであり、前記ばねを有した補助プレートの周縁部および前記ボルトを有した補助プレートの周縁部にそれぞれ凹部が設けられ、前記締結部材の端部に、前記ばねを有した補助プレートに設けられた前記凹部および前記ボルトを有した補助プレートに設けられた前記凹部にそれぞれ係合する凸部が設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
固体高分子電解質膜と、前記電解質膜を挟んだ一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する手段とを具備した単位電池を複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、
前記積層電池の両端面を押さえるエンドプレートと、前記両エンドプレートを締結する帯状のバンドからなる締結部材と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力を与えるばねを有した補助プレートと、ボルトを有した補助プレートとを具備し、前記締結部材を複数の部分に分割し、前記ばねを有した補助プレートの周縁部および前記ボルトを有した補助プレートの周縁部にそれぞれ凹部が設けられ、前記締結部材の端部に、前記ばねを有した補助プレートに設けられた前記凹部および前記ボルトを有した補助プレートに設けられた前記凹部にそれぞれ係合する凸部が設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用される常温作動型の固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させ、電気と熱を同時に供給するものである。
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面には、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が密着して形成される。触媒反応層の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層が密着して形成され、これと触媒反応層と合わせて電極とされる。
電極の外側には、これらの電極および電解質の接合体を機械的に固定するとともに、隣接する接合体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。セパレータ板の電極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。
【０００３】
この種燃料電池の単電池の構造を図により説明する。
図１０は、高分子電解質膜３を触媒反応層２を有する一対の電極１で挟持するとともに、電解質膜の周縁部を一対のシール材１７で挟持し、これらを一対のセパレータ板４で挟持した構成の単電池を示す。セパレータ板４は、電極１に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのガス流路５を有する。シール材１７は、燃料の水素や酸化剤の空気が電池外へリークしたり互いに混合したりするのを防止するものである。単電池２セル毎に、セパレータ板は一方の面にガス流路、他方の面に冷却水を供給する流路を有するものが用いられている。そして、冷却水の漏洩を防止するために、冷却水の流路を有するセパレータ板の間にはＯリングが介在させてある。
【０００４】
図１１は、ガスや冷却水の漏洩を防止するための別のシール方法として、樹脂や金属板からなるガスケット１９を電極と同程度の厚みにして電極１の周りに配置し、セパレータ板との隙間をグリース２０や接着剤でシールした例を示す。冷却水の流路を有するセパレータ板間も同様にグリースや接着剤でシールされる。
図１２は、電極を高分子電解質膜と同じ大きさにして電解質膜と接合した電極電解質接合体（ＭＥＡ）をセパレータ板と積層し、ガスシールが必要な部分に、あらかじめシール効果を有する樹脂２１を滲み込ませ固化させたものを用いた例である。この固化させた樹脂によって、セパレータ板との間のガスシール性を保持する。
【０００５】
多くの燃料電池は、上記のような構造の単電池を数多く重ねた積層構造を採っている。燃料電池運転時には、電力発生と共に発熱が起こる。積層電池では、単電池１〜２セル毎に冷却板が設けられているから、電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水などの形で利用することができる。冷却板としては、薄い金属板の内部に冷却水などの熱媒体が貫流するような構造が一般的である。また、上記のように、単電池を構成するセパレータ板の背面、すなわち冷却水を流したい面に流路を加工して冷却板としたものもある。その際、冷却水などの熱媒体をシールするためのＯリングやガスケットも必要となるが、このシールではＯリングを完全につぶすなどして冷却板の上下間で十分な導電性を確保する必要がある。
【０００６】
このような積層電池では、マニホールドと呼ばれる各単電池へのガス供給孔やガス排出孔、さらには冷却水の供給排出孔を、積層電池内部に確保したいわいる内部マニホールド型が一般的である。しかしながら、改質ガスを用いて電池運転する場合、各電池の燃料ガス流路の下流域でＣＯ濃度が上昇する結果、電極被毒によって温度が低下し、その温度の低下が電極被毒を一層促進させることになることがある。このような電池性能の低下現象を緩和するため、マニホールドから各単電池へのガスの供給排出部の間口をできるだけ広く取れる構造として、外部マニホールド型も見直されている。
【０００７】
いずれにしても、冷却部を含む多数の単電池を一方向に積み重ね、その両端に２つの端板を配し、その２つの端板の間を締結ロッドによって固定することが必要である。締め付け方式としては、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることが望ましく、機械的強度の観点から端板や締結ロッドには通常ステンレス鋼などの金属材料が用いられる。これらの端板や締結ロッドと積層電池とは、絶縁板などによって電気的に絶縁され、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造となっている。締結ロッドについても、セパレータ内部の貫通孔の中を通したり、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げたりした改良された方式も提案されている。
また、図１０〜１２に示されるいずれの方式によるシール方法でも、シール性を維持するためには恒常的な締め付け圧が必要であり、締結ロッドと端板の間にスクリューバネや皿バネを挿入するなどの構成が採られる。また、この締め付け圧力によって、セパレータや電極、電解質膜など電池の構成部材間の電気的接触が確保される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
水素ガスや空気などのガスシールのため、電極の周囲にシール材やＯリングを配する方法では、相当な面圧が必要になる。そのため、シール材やシール部を上下のセパレータ板で挟み付けることによってシール効果を維持していく構造がとられ、比較的大きな締め付け力を恒常的に加える必要がある。そのため、端板や締め付けロッドなどの締め付け機構が長大になりがちで、重量的観点からも電池全体の軽量化に向けた課題となっている。
また、長期間シール部や電極部に圧力がかかるため、構成部材が歪みを起こし、その結果シール部や電極に必要な面圧が低下するため、歪み量を吸収する機構が締め付け機構に必要とされ、締め付けロッド端部にバネを設置し締結する構成がとられている。このため小型化の障害となっていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、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、前記電解質膜を挟んだ一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する手段とを具備した単位電池を複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、前記積層電池の両端面を押さえるエンドプレートと、前記両エンドプレートを締結する帯状のバンドからなる締結部材と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力を与えるばねを有した補助プレートと、ボルトを有した補助プレートとを具備し、前記ばねが皿状の形態を有するばねであり、前記ばねを有した補助プレートの周縁部および前記ボルトを有した補助プレートの周縁部にそれぞれ凹部が設けられ、前記締結部材の端部に、前記ばねを有した補助プレートに設けられた前記凹部および前記ボルトを有した補助プレートに設けられた前記凹部にそれぞれ係合する凸部が設けられていることを特徴とする。
また、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、前記電解質膜を挟んだ一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給する手段とを具備した単位電池を複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、前記積層電池の両端面を押さえるエンドプレートと、前記両エンドプレートを締結する帯状のバンドからなる締結部材と、前記締結部材と前記エンドプレートに締結力を与えるばねを有した補助プレートと、ボルトを有した補助プレートとを具備し、前記締結部材を複数の部分に分割し、前記ばねを有した補助プレートの周縁部および前記ボルトを有した補助プレートの周縁部にそれぞれ凹部が設けられ、前記締結部材の端部に、前記ばねを有した補助プレートに設けられた前記凹部および前記ボルトを有した補助プレートに設けられた前記凹部にそれぞれ係合する凸部が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
《参考の形態１》
本参考の形態における燃料電池の締結構造を図１〜３に示す。
３０は単位電池の積層体を表している。積層体３０の上下にはエンドプレート３１、３２が配されている。出力端子４０、４１を有する単位電池積層体３０とエンドプレート３１、３２とは、特に図示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されているものとする。エンドプレート３１、電池積層体３０およびエンドプレート３２は、４カ所で締結されている。すなわち、これらを囲繞する帯状のバンドからなる締結部材３９、前記バンドの端部を固定した補助プレート３３、エンドプレート３２の底面に設けた凹部３６と対応させて設けた凸部３７に皿状のばね３８を装着した補助プレート３４、および補助プレート３３に設けたねじ穴に螺合させたボルト３５により電池積層体３０およびエンドプレート３１、３２が締結されている。
ボルト３５を補助プレート３３に螺入させると、補助プレート３３はエンドプレート３１から離れる方向に移動し、そのためバンド３９により補助プレート３４がばね３８を圧縮する方向に移動する。これによってエンドプレートを介して積層体３０が締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。４２、４３、４４は、電極にガスを供給するためのガス供給口および冷却水供給口を表す。それらの排出口は供給口を有する側とは反対側の下面に設けられている。
【００１１】
《実施の形態１》
本実施の形態における燃料電池の締結構造を図４〜６に示す。
５０は単位電池の積層体を表す。積層体５０の上下にはエンドプレート５１、５２が配されている。エンドプレート５１の上にはボルト５５をねじ穴に螺合した補助プレート５３が、またエンドプレート５２の下にはエンドプレート５２の底面に設けた凹部５６と対応させて設けた凸部５７に皿状のばね５８を装着した補助プレート５４がそれぞれ配されている。そして、補助プレート５３と５４とは、それらの周縁部に設けた凹６１に係合する凸部を上下に設けたバンド５９からなる締結部材により連結され、ボルト５５を補助プレート５３に螺入させることによりばね５７を圧縮し、これによってエンドプレート５１、５２を介して積層体５０が締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。この例では、出力端子６２と６３は電池の上下に配されている。電極にガスを供給するためのガス供給口および冷却水供給口を設けたマニホルド６４と、ガス排出口および冷却水排出口を設けたマニホルド６５とは、電池の側面に取り付けられている。
【００１２】
《実施の形態２》
本実施の形態における燃料電池の締結構造を図７に示す。
実施の形態１では、２組の締結部材を用い、各組の補助プレート５３は２組のボルトで締め付ける構造としたが、本実施の形態では、４組の締結部材を用い、各組の補助プレート５３ａは１組のボルトで締め付ける構造とした他は実施の形態１と同様な構造である。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
《参考例１》
粒径が数ミクロン以下のカーボン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によってカーボン粉末表面に白金触媒を担持させた。このときのカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。
一方、電極となる厚さ４００ミクロンのカーボンペーパーをフッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のネオフロンＮＤ１）に含浸して乾燥後、４００℃で３０分熱処理して撥水性を付与した。
【００１４】
図８に示したように、撥水処理を施したカーボンペーパー電極１の片面に前記のカーボン粉末を含むスラリーを均一に塗布して触媒層２を形成した。２枚のカーボンペーパー電極１を、触媒層を形成した面を内側に向け、固体高分子電解質膜３を挟んで重ね合わせた後、これを乾燥して電極電解質接合体（ＭＥＡ）とした。２枚のカーボンペーパー電極１は、長さおよび幅をともに１０ｃｍとし、一回り大きい長さ・幅ともに１２ｃｍの高分子電解質膜３の中央に配置した。このＭＥＡを、その両面から気密性を有するカーボン製のセパレータ板４で挟み込んで単電池を構成した。
セパレータ板４は、厚さが４ｍｍで、その表面には切削加工により幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路５を多数刻んでおり、その周辺部にはガスのマニホルド孔６と冷却水のマニホルド孔７を配した。また、ＭＥＡをセパレータ板で挟み込む際、電極１の周りにはカーボン製のセパレータ板と同じ外寸のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製シート８を配した。このＰＥＴシートは、硬くてシール性を有しないが、カーボン製セパレータ板４と電解質膜３との間のスペーサとして用いた。このような単電池を２セル積層した後、冷却水が流れる冷却流路を形成したセパレータ板を積層し、このパターンを繰り返して積層した。冷却流路を有するセパレータ板間にはシール用Ｏリングは用いなかった。
このような電池構成単位を５０セル積層し、両端部に金属製の集電板と電気絶縁材料からなる絶縁板を配して積層体を構成した。
【００１５】
この積層体の上下にエンドプレートを配し、図１〜３で説明した参考の形態１の締結構造とした。すなわち、厚み１ｍｍ、巾２２ｍｍの金属（ＳＵＳ３０４ーＣＳＰ）バンド３９の４本と、エンドプレート３１、３２、補助プレート３３、３４、および皿ばね３８で締結力を与える構造とした。ばね３８のばね定数は５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して１箇所当たり４００ｋｇの締結圧力を加え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。本実施例によると、従来のセパレータ板外側にロッドを配置して締結力を与える方法に比べ、セパレータ板の内側から締結力を印加することができるため、エンドプレートの変形が激減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下にすることも可能である。
【００１６】
《実施例１》
参考例１では、ＭＥＡの構造として電極の周囲にＰＥＴシートのスペーサを配したが、さらに次の構造を試みた。すなわち、ＰＥＴシートを廃し、触媒層を塗布したカーボンペーパー電極をカーボン製セパレータ板と同じ外寸とし、したがって積層時電極端部が電池の側表面に露出している構造である。この時のカーボン製セパレータ板としては、図９に示すような外部マニホールド型のものを用いた。すなわち、２セル毎に用いられるセパレータ板４ａは、片面に冷却水の流路２２およびその出入り口１２、他の面に燃料ガスまたは酸化剤ガス、例えば燃料ガスの流路およびその出入り口１０をそれぞれ有する。前記セパレータ板４ａのガスの出入り口１０を有する面に接触する電極の対極に接して、セパレータ板４ｂが配される。このセパレータ板４ｂは、前記対極と接する面に酸化剤ガスの流路５およびその出入り口１１が設けられ、反対側の面には燃料ガスの流路およびその出入り口１０が設けられている。また、セパレータ板４ｂと単位電池を介して積層されるセパレータ板４ｃは、一方の面に酸化剤ガスの流路５およびその出入り口１１が設けられ、反対側の面には冷却水の流路およびその出入り口１２が設けられている。
そして、単位電池積層体の一側面には、前記ガスの出入り口１０、１１および冷却水の出入り口にそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給するマニホルドが配され、反対側の側面には前記ガスの出入り口１０、１１および冷却水の出入り口からそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を排出するマニホルドが配される。
【００１７】
以上の電池構成の積層体の上下にエンドプレートを配し、図４〜６で説明した実施の形態１の締結構造とした。すなわち、厚み１ｍｍ、巾７５ｍｍの金属（ＳＵＳ３０４ーＣＳＰ）バンド５９の２本と、エンドプレート５１、５２、補助プレート５３、５４、皿ばね５８、およびボルト５５で締結力を与える構造とした。ばね５８のばね定数は５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して１箇所当たり４００ｋｇの締結圧力を加え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。本実施例では、バンド５９の端部に爪６０を溶接で接合し、着脱可能としたため、参考例１のバンド構造と比べ組立性が向上した。
【００１８】
《実施例２》
実施例１のタイプの電池構成の積層体の上下にエンドプレートを配し、図７で説明した実施の形態２の締結構造とした。すなわち、厚み１ｍｍ、巾７５ｍｍの金属（ＳＵＳ３０４ーＣＳＰ）バンド５３ａの４本と、エンドプレート５１、５２、補助プレート５３、５４、皿ばね５８、およびボルト５５で締結力を与える構造とした。ばね５８のばね定数は５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して１箇所当たり４００ｋｇの締結圧力を加え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。さらに、実施例１の締め付けプレートを２分割する構造とした。実施例１では、１枚の締め付けプレートに対し４本のボルトで締め上げていたため、バンドの機械精度が悪いと４本のボルトに均等に加重がかからなかった。これに対して、本実施例では、１枚の締め付けプレートに対し２本のボルトで締め上げる構成としたため、必ず均等に加重を負荷することができるようになった。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。
また、この実施例では、ボルト側の締め付けプレートを２分割したが、ばね側の締め付けプレートを２分割しても同様の効果が得られた。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によると、エンドプレートや締め付けロッドなどの締め付け機構を小型、軽量化することができ、電池全体の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考形態における固体高分子型燃料電池の平面図である。
【図２】  同電池の正面図である。
【図３】  図２のIII−III'線断面図である。
【図４】  本発明の実施形態における固体高分子型燃料電池の平面図である。
【図５】  同電池の正面図である。
【図６】  図４のVI−VI'線断面図である。
【図７】  本発明の他の実施形態における固体高分子型燃料電池の平面図である。
【図８】  本発明の実施例における固体高分子型燃料電池の電池部材の一部を切欠した斜視図である。
【図９】  本発明の他の実施例におけるセパレータ板の斜視図である。
【図１０】  固体高分子型燃料電池の電池部材の構成例を示す要部の断面図である。
【図１１】  固体高分子型燃料電池の電池部材の他の構成例を示す要部の断面図である。
【図１２】  固体高分子型燃料電池の電池部材のさらに他の構成例を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
１ 電極
２ 触媒層
３ 固体高分子電解質膜
４ セパレータ板
５ ガス流路
６ ガスのマニホルド孔
７ 冷却水のマニホルド孔
３０、５０ 積層体
３１、３２、５１、５２ エンドプレート
３３、３４、５３、５４ 補助プレート
３５、５５ ボルト
３６、５６ 凹部
３７、５７ 凸部
３８、５８ ばね
３９、５９ バンド
４０、４１、６２、６３ 出力端子
【図１】
0004083304.tif 000002
【図２】
0004083304.tif 000003
【図３】
0004083304.tif 000004
【図４】
0004083304.tif 000005
【図５】
0004083304.tif 000006
【図６】
0004083304.tif 000007
【図７】
0004083304.tif 000008
【図８】
0004083304.tif 000009
【図９】
0004083304.tif 000010
【図１０】
0004083304.tif 000011
【図１１】
0004083304.tif 000012
【図１２】
0004083304.tif 000013