(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備した単電池を、複数個積層した高分子電解質型燃料電池スタックであって、
前記電池スタックの積層方向の両端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を前記電池スタックの積層方向に加圧する帯状締結枠と、
前記帯状締結枠に配置され、かつ、前記一対のエンドプレートのうちの一方の側に配置された３本のボルトと、を具備し、
前記帯状締結枠に配置された３本の前記ボルトの径を、前記一対のエンドプレートのうちの一方の表面の中心部に近いものほど大きくしたことを特徴とする高分子電解質型燃料電池スタック。
【請求項２】
３本の前記ボルトが配置された前記帯状締結枠を複数個具備したことを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池スタック。
【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する高分子電解質を用いた燃料電池スタックに関し、特にその締結方法に関する。
【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、空気などの酸素を含有する燃料ガスとを、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。その構造は、まず、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、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を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスが外にリークしたり、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極の周囲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を配置する。この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、これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）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を配置する。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を形成する。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ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。
【０００４】
この溝に燃料ガスを供給するためには、燃料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。
【０００５】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、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積層電池の構造である。
【０００６】
高分子電解質型の燃料電池では、単電池を積層する際に高分子電解質膜と電極に一定の面圧を与えることで、電池のインピーダンスを減らし、スムーズに水素／酸素の酸化還元反応を促進させる必要がある。この時、ＭＥＡの表面に均一な面圧を与えることが重要である。ＭＥＡの加圧にバラツキがあると、強い加圧部分で集中的に反応が起こり、その部分に電流が集中する。このとき、電池の分極がその部分に集中するため、局所的に温度が大きく上昇し、電極が劣化したり、高分子電解質膜に破損が生じる可能性がある。
【０００７】
このような状況で、高分子電解質型燃料電池の従来の締結方法は、電池スタックの積層方向の両端にエンドプレートを配置し、同じ直径の４個以上のボルトを配置した締結板でこのエンドプレートを加圧していた。また、締結でのひずみを均一化するため、締結板を２分割した方法も提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
同じ直径の４個以上のボルトを配置した締結板で、エンドプレートを加圧すると、エンドプレートの加圧状態が、面方向でバラツク。この理由は、平面は３つの点で一意的に限定されるが、点が４個だと、２つの平面が発生する。４本脚の机がガタガタするのは、このためである。４個のボルトを完全に同じ圧力で絞めたときは、当然バラツキは起こらないが、数十個の電池を積層した高分子型燃料電池スタックの締結で、完全に同じ圧力で締め上げることは難しい。
【０００９】
また、このような電池スタックを電気自動車の電力源として用いたときは、電池スタックが自動車の走行により、強い振動を受ける。そのときは、上記の加圧の面内バラツキが、更に助長され、電池の特性劣化を生む原因になる。
【００１０】
また、従来の締結方法では、締結のための部品点数が多くなると共に、燃料電池の組み立てにおける作業工程が増えることになり、また、電池に対してのひずみが大きくなってしまい、毎回の組み立てでの電極に与える面圧の不均一性のために、これらが実用化の為の障害となる。
【００１１】
また、締結部品が極端に過剰な力を受けた状態で電池を長期間運転すると、前記部品の劣化が予想され、燃料ガスの漏れ発生などの安全面において疑問視されるという課題がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため本発明の高分子電解質型燃料電池スタックは、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備した単電池を、複数個積層した高分子電解質型燃料電池スタックであって、
前記電池スタックの積層方向の両端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を前記電池スタックの積層方向に加圧する帯状締結枠と、
前記帯状締結枠に配置され、かつ、前記一対のエンドプレートのうちの一方の側に配置された３本のボルトと、を具備し、
前記帯状締結枠に配置された３本の前記ボルトの径を、前記一対のエンドプレートのうちの一方の表面の中心部に近いものほど大きくしたことを特徴とする。
【００１４】
また、３本の前記ボルトが配置された前記帯状締結枠を複数個具備したことが有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１６】
本発明のポイントは、面を規定する３点の異径締結ボルトで燃料電池を締結することで電池全面に対しひずみを取りながら、締結に必要とする部品点数と作業工程の削減を可能にし、均一な面圧を常に維持させる方法を見出したことである。
【００１７】
【実施例】
本発明に適する実施例を図面に従って、具体的に説明する。
【００１８】
（実施例１）
まず、本発明のポイントである燃料電池の締め付け構造を、図１、図２及び図３を用いて説明する。図１は締め付け構造を示した外面図であり、図２はその断面図である。図１において、１１は単位電池の積層部分である。単位電池の積層部分１１の上下にはエンドプレート１２を配置する。１３は集電板であり出力端子１４と電気的につながっている。単位電池の積層部分１１とエンドプレート１２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する。エンドプレート１２及び単位電池の積層部分１１は、締結板１４と締結部材１５により締め付けられている。即ち、図２に於いて、エンドプレート及び単位電池の積層部分に対して、その左右の周囲を締結部材１５で覆い、上部から締結ボルト１６および１７、下部から皿バネ２２でエンドプレート１２に圧力を加え、これで単位電池の積層部分１１を締め付ける。ただし、締結ボルト１７の位置は、締結ボルト１６の位置に較べて、電池の平面方向で中央部にあるため、電池を平面方向に均一に加圧するためには、より大きな力で締め付けなければならない。そこで、締結ボルト１６は直径１０ｍｍのものを用い、締結ボルト１７は直径１６ｍｍのものを用いた。締結板１４におけるボルト１６とボルト１７の取り付け位置の概略を図３（ａ）に示した。
【００１９】
以下、燃料電池の製造方法を説明する。
【００２０】
炭素微粉末（米国キャボット社製ＶＸＣ７２、一次粒子径：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた溶液に、水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、触媒ペーストを作成した。
【００２１】
一方、電極の多孔性基材となるカーボンペーパーを撥水処理した。厚み３６０μｍのカ−ボン不織布（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、ポリテトラフルオロエチレン含有の水性ディスパージョン（ダイキン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱することで、撥水性を与えた。
【００２２】
このカ−ボン不織布の上に、前述の触媒ペーストをクリ−ン印刷法をもちいて塗布することで触媒層を形成した。このようにして作成した触媒層とカ−ボン不織布とを合わせて電極とした。電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整した。
【００２３】
次に、外寸の大きさを前述の電極より５ｍｍ大きくした、プロトン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製ナフィオン１１２）の裏表両面に、一対の電極を触媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレスで接合し、これを電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）とした。
【００２４】
このＭＥＡをセパレータ板で挟み込んで単電池の構成とした。セパレータ板の作成は、カーボン粉末材料を冷間プレス成形したカーボン板に、フェノール樹脂を含浸・硬化させガスシール性を改善した樹脂含浸したものを用い、これに切削加工でガス流路を形成した。セパレータの大きさは１０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは４ｍｍであり、溝部は幅２ｍｍで深さ１．５ｍｍの凹部であり、この部分をガスが流通する。また、ガス流路間のリブ部は幅１ｍｍの凸部である。また、酸化剤ガスのマニホルド孔と、燃料ガスのマニホルド孔と、冷却水のマニホルド孔を、セパレータに形成した。また、ガス流通路と、マニホールド孔の周りに、ポリイソブチレンに導電性カーボンを分散させた導電性のガスシール剤で、ガスシール部を形成した。
【００２５】
以上のように作成したＭＥＡの両面に、導電性セパレータの表面の燃料ガス流通側と、導電性セパレータの裏面の酸化剤ガス流通側とを接合し、単電池Ａとした。また、ＭＥＡの両面に、導電性セパレータの表面の燃料ガス流通側と、導電性セパレータの裏面の冷却水流通側とを接合し、単電池Ｂとした。
【００２６】
次に、単電池Ａと単電池Ｂとを１セルずつ交互に積層し、合計で５０セル積層することで、単位電池の積層部分とした。
【００２７】
この積層体の上下にエンドプレートを配し、図１、２で説明した締結構造とした。即ち、締結部材１２を介して締結ボルト１６、１７と皿バネ２２で締結力を与える構造とし、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。
【００２８】
（比較例１）
実施例１では、積層電池部分を３個のボルトで締め付けたが、この部分を４個のボルトで締め付けたものを比較例とした。締結板におけるボルトの取り付け位置の概略を、図３（ｂ）に示した。比較例では直径１６ｍｍのボルトを用いた。これ以外は、実施例１で作成した電池と全て同一とした。
【００２９】
（特性評価）
以上の実施例１と比較例１で作成した電池に対して、以下の条件で特性を評価した。燃料極に純水素ガスを、空気極に空気をそれぞれ供給した。燃料ガス利用率（Ｕｆ）を７０％、空気利用率（Ｕｏ）を２０％とした。ガスの加湿は、燃料ガスを８５℃、空気を６５〜７０℃の加湿バブラーに通すことで行った。電池温度は冷却水の温度と流量を調節することで７５℃に維持した。駆動電流はＭＥＡの面積あたり０．５Ａ／ｃｍ2 とした。
【００３０】
図４に、本発明の実施例の電池と比較例の電池の特性を示した。図４では、縦軸は燃料電池の出力電圧を単位電池の積層数で割ったものを示し、横軸は運転時間を示した。図４に示した結果から、本発明の電池は比較例の電池と較べて、長期信頼性に優れたものであることを確認した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によると、燃料電池スタックの締結方法として、従来の４点支持に替わり、ＭＥＡに余計なひずみを与えず、かつ均一に面圧を与えることができるため、燃料電池の安定した運転への実現に寄与する。この効果は、この電池スタックを電気自動車に応用したとき更に顕著になる。また、部品点数と作業工程の削減により量産時におけるコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池スタックの外観を示した構成概略図
【図２】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池スタックの断面を示した構成概略図
【図３】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池スタックのボルト取り付け位置の概略図
【図４】本発明の実施例の電池と比較例の電池の特性を示したグラフ
【符号の説明】
１１  単位電池の積層部分
１２  エンドプレート
１３  集電板
１４  締結板
１５  締結部材
１６，１７  締結ボルト
１８  出力端子
２２  皿バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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