(57)【要約】【課題】単位セルの発電面の面圧を均一にすることのできる燃料電池を提供する。【解決手段】単位セル１０と、単位セル１０に対抗して配置されたエンドプレート３４と、単位セル１０とエンドプレート３４との間に配置された板状の弾性層４０と、エンドプレート３４に荷重を加えて単位セル１０を締結する締結装置３６と、を備えた燃料電池であって、弾性層４０には、厚み方向のスリット４０１が設けられている。好ましくは、弾性層４０は、１個の板状の弾性部４００にスリット部４０１が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を一対のセパレータで挟持してなる単位セルと、
前記単位セルに対向して配置されたエンドプレートと、
前記単位セルと前記エンドプレートとの間に配置された弾性材からなる層（以下、弾性層）と、
前記エンドプレートに荷重を加えて前記単位セルを締結する締結装置と、を備え、
前記弾性層は、厚み方向のスリットが設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記弾性層は、板状の弾性材からなる層であり、前記弾性材に前記スリットが設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記弾性層は、１個の物体からなることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記弾性層は、複数の板状の弾性材を板方向に並べてなる層であり、前記弾性材と、隣接する前記弾性体との隙間に前記スリットが形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記弾性層は、前記単位セルにおける発電面と同等の大きさであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池は、前記単位セルと前記エンドプレートとの間に集電板を含み、前記弾性部材は、前記集電板と前記エンドプレートとの間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池は、前記集電板と前記エンドプレートとの間に絶縁板を含み、前記弾性部材は、前記集電板と前記絶縁板との間に配置されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称する）が複数積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
積層された単位セルは、その積層方向に締め付けられて固定される。燃料電池の締結方法としては、例えば、特開２００６−４９２２１号公報に開示されるように、積層された単位セルの端部にエンドプレートを配置し、当該エンドプレートの中心部を押圧して固定する方法が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４９２２１号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３３５８号公報
【特許文献３】特開２００３−３３８３０６号公報
【特許文献４】特開２００４−３３５３３６号公報
【特許文献５】特開昭６１−１２４０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の燃料電池のように、エンドプレートの中心に集中的に締結荷重を加えると、単位セルにおける発電面の面圧にバラツキができてしまう。発電面の面圧は発電性能に大きな影響を及ぼす。このため、単位セルの発電面において発電が均一に行われず、発電効率が低下してしまうおそれがあった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、単位セルの発電面の面圧を均一にすることのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を一対のセパレータで挟持してなる単位セルと、
前記単位セルに対向して配置されたエンドプレートと、
前記単位セルと前記エンドプレートとの間に配置された弾性材からなる層（以下、弾性層）と、
前記エンドプレートに荷重を加えて前記単位セルを締結する締結装置と、を備え、
前記弾性層は、厚み方向のスリットが設けられている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記弾性層は、板状の弾性材からなる層であり、前記弾性材に前記スリットが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または２の発明において、
前記弾性層は、１個の物体からなることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１の発明において、
前記弾性層は、複数の板状の弾性材を板方向に並べてなる層であり、前記弾性材と、隣接する前記弾性体との隙間に前記スリットが形成されることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至第４のいずれか１つの発明において、
前記弾性層は、前記単位セルにおける発電面と同等の大きさであることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池は、前記単位セルと前記エンドプレートとの間に集電板を含み、前記弾性部材は、前記集電板と前記エンドプレートとの間に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第６の発明において、
前記燃料電池は、前記集電板と前記エンドプレートとの間に絶縁板を含み、前記弾性部材は、前記集電板と前記絶縁板との間に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、単位セルとエンドプレートとの間には、弾性材からなる弾性層が配置されている。そして、弾性層には、厚み方向のスリットが設けられている。燃料電池が締結されると、弾性材は、締結方向に圧縮されるとともに板方向に膨らむ。弾性層に設けられたスリットは、弾性材の板方向の膨らみを吸収するスペースとして有効に機能する。このため、本発明によれば、弾性材の圧縮量のばらつきの自由度が増すこととなり、単位セルを押圧する面の平面度を効果的に向上させることができる。これにより、単位セルの発電面の面圧を均一に近づけて、発電効率を向上させることができる。
【００１５】
第２の発明によれば、弾性層は、板状の弾性材からなり、当該弾性材にスリットが設けられている。このため、本発明によれば、簡易な構成で弾性層を形成することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、弾性層は１個の物体から形成されている。このため、本発明によれば、弾性層の設置を容易に行うことができる。
【００１７】
第４の発明によれば、弾性層は、複数の板状の弾性材を並べることにより形成され、また、スリットは、隣り合う弾性材の隙間に形成されている。このため、本発明によれば、簡易な構成で弾性層を形成することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、弾性層は、単位セルの発電面と同等の大きさとされる。弾性材の外縁部は、板方向の膨らみを有効に逃がすことができる。このため、本発明によれば、発電面上に位置する弾性材の圧縮量の自由度を向上させることができる。
【００１９】
第６の発明によれば、弾性層は、集電板とエンドプレートの間に挟まれて配置される。弾性層は押圧のばらつきを有効に吸収することができるので、集電板の平面度は向上する。このため、本発明によれば、単位セルの発電面の面圧を均一に近づけることができる。
【００２０】
第７の発明によれば、弾性層とエンドプレートとの間に絶縁板を挟む構成においても、本発明を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
本発明の実施の形態としての燃料電池は、図６に示すような発電システム（燃料電池システム）に使用される。図６は、本発明にかかる燃料電池を使用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。尚、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
【００２３】
図６に示す燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素（以下、「アノードガス」とも称する）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される水素は高圧の水素タンク１１４に貯蔵されている。水素タンク１１４と燃料電池１００のアノードとは水素供給管１１０によって接続され、水素供給管１１０の途中にはシャットバルブ１１６および調圧バルブ１１８が配置されている。また、燃料電池１００のアノードには、アノードオフガスを排出するためのオフガス排出管１１２が接続されている。オフガス排出管１１２は、水素供給管１１０における調圧バルブ１１８の下流側に接続され、水素供給管１１０と共に水素の循環系を構成している。オフガス排出管１１２の途中には、循環系内で水素を循環させるための循環ポンプ１２０が配置されている。
【００２４】
このシステムでは、酸化ガスとしての空気（以下、「カソードガス」とも称する）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される空気は、コンプレッサ１３４によって大気から取り込まれる。コンプレッサ１３４と燃料電池１００のカソードとは空気供給管１３０によって接続されている。また、燃料電池１００のカソードには、カソードオフガスを排出するためのオフガス排出管１３２が接続されている。オフガス排出管１３２は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整する為の調圧バルブ１３６が設けられている。
【００２５】
本実施の形態の燃料電池１００は、図１に示すような構成を有している。図１は、本実施の形態の燃料電池１００の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すとおり、燃料電池１００は単位セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル１０は、発電体１２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路１４および１６、隣接する発電体１２を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００２６】
多孔体流路１４および１６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路１４および１６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を向上させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路１４および１６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ２０のアノードおよびカソードに供給される。
【００２７】
セパレータ１８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路１４と接触するカソードプレート２２と、多孔体流路１６と接触するアノードプレート２４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート２６とから構成されている。図１に示すとおり、中間プレート２６には複数の溝が形成されている。これにより、セパレータ１８内部に複数の冷媒流路２８が形成されている。
【００２８】
上述したとおり、燃料電池１００は複数の単位セル１０を積層して締結している。図２は、燃料電池１００の構造を説明するための図である。この図に示すとおり、燃料電池１００は、複数の単位セル１０が積層されている。単位セル１０の両側には当該燃料電池１００の電極としての集電板３０ａ，３０ｂ（以下、これらを特に区別しないときは、単に「集電板３０」と称する）がそれぞれ配置されている。また、集電板３０の更に外側には、絶縁板３２ａ，３２ｂ（以下、これらを特に区別しないときは、単に「絶縁板３２」と称する）が配置されている。また、絶縁板３２の更に外側には、エンドプレート３４ａ，３４ｂ（以下、これらを特に区別しないときは、単に「エンドプレート３４」と称する）が配置されている。エンドプレート３４の両端は締結装置３６により締結される。より具体的には、締結装置３６は、エンドプレート３４ａ側を当該締結装置３６の一端に固定し、エンドプレート３４ｂ側を積層方向に移動可能な押圧部３８により押圧することにより締結する仕組みになっている。尚、本実施の形態の燃料電池１００は、エンドプレート３４ｂの中心付近を押圧部３８の押圧面で押圧し、積層された単位セル１０を締結することとしている。
【００２９】
本実施の形態の燃料電池１００は、集電板３０ｂと絶縁板３２ｂとの間に板状の弾性層４０が配置されている。弾性層４０は、積層方向に圧縮することができるように、ゴム等の弾性部材で構成される。尚、弾性層４０の厚みは、燃料電池１００を締結した場合に、圧縮量が限界に達しないような厚みが好ましい。
【００３０】
図３は、弾性層４０を燃料電池１００の積層方向から見た図である。以下、図３を参照して、弾性層４０の形状を詳細に説明する。この図に示すとおり、弾性層４０は、弾性部４００に複数のスリット部４０１を有している。スリット部４０１は、弾性層４０の長手方向の辺から短手方向に沿って延在するスリットである。スリット部４０１の長さは、弾性部４００を分断しないように、対向する辺に到達する手前でとまる長さとされている。弾性層４０は、このようなスリット部４０１が、弾性層４０の長手方向の一辺と当該一辺に対向する一辺とから、交互に複数個形成された形状となっている。
【００３１】
[実施の形態１の作用・効果]
次に、上述した燃料電池１００の作用・効果について説明する。上述したとおり、締結装置３６は、押圧部３８を積層方向に移動させてエンドプレート３４ｂの中心付近を締め付けるため、エンドプレート３４ｂには、中心付近への部分的な荷重が作用することとなる。ここで、弾性層４０を有していない従来の燃料電池において、締結装置３６により単位セル１０を締結することとすると、エンドプレート３４ｂ、集電板３０ｂ、および絶縁板３２ｂの中心付近が部分荷重により変形することにより、単位セル１０を押圧する面の平面度が低下してしまう。このため、単位セル１０の面圧が不均一となり、発電性能や発電効率が著しく低下してしまう。
【００３２】
そこで、本実施の形態の燃料電池１００は、エンドプレート３４ｂと単位セル１０との間に弾性層４０を配置することとしている。弾性層４０は、板状の弾性部材で構成されているため、荷重の入力側、すなわちエンドプレート３４ｂ側に生じた凹凸を吸収して、荷重の出力側、すなわち単位セル１０側の平面度を向上させることができる。
【００３３】
ここで、燃料電池１００が締結されると、弾性層４０は、締結方向に圧縮されるとともに板方向に部材が逃げて膨らむこととなる。このため、例えば、弾性層４０が矩形形状の板材である場合において、外縁から遠い矩形の中心側の領域では、板方向に膨らむ余地がないため、積層方向の圧縮量が制限されてしまう。
【００３４】
そこで、本実施の形態の弾性層４０には、複数のスリット部４０１が設けられている。このスリット部４０１は、この板方向の膨らみを吸収するスペースとして有効に機能する。このため、中心側の領域においても、板方向の膨らみを当該スリット部４０１のスペースが吸収することができる。これにより、弾性層４０の圧縮量の自由度を向上させることができるので、入力側の凹凸を効果的に吸収して、出力側の単位セル１０を押圧する面の平面度を効果的に向上させることができる。
【００３５】
ところで、上述した実施の形態１においては、板状の弾性層４０として、ゴム系の材料を使用することとしているが、弾性層４０に使用される材料はこれに限られない。すなわち、燃料電池１００の締結時に領域毎に圧縮量の差異が生じる板状の材料であればよい。
【００３６】
また、上述した実施の形態１においては、積層された複数の単位セル１０等を締結装置３６により締結することにより、システムに搭載されるスタックとしての燃料電池１００を構成しているが、本発明の締結構造が適用されるのは、スタックを構成する場合に限らず、評価用の治具としての締結装置を用いて単位セルを締結する場合に適用することとしてもよい。
【００３７】
また、上述した実施の形態１においては、弾性層４０に複数のスリット部４０１を設けることとしているが、当該スリット部４０１の形状、配置はこれに限られない。すなわち、弾性層４０における弾性部４００が圧縮した場合の板方向の膨らみ（逃げ）のスペースを効果的に確保することができるのであれば、ヒモ状の弾性部材を挟んで弾性部およびスリット部を形成してもよいし、また、他の形状の弾性部材を使用することとしてもよい。
【００３８】
図４は、本実施の形態の変形例として、異なるスリット形状を備える弾性層５０の形状を説明するための図である。尚、図４においては、弾性層５０を、燃料電池１００の積層方向から見た図を示している。この図に示すとおり、弾性層５０は、弾性部５００とスリット部５０１を備えている。スリット部５０１は、弾性部５００を複数個に分断するように、弾性層５０の矩形形状の長手方向の一辺から対向する一辺まで通過している。このような構成の弾性層５０においても、弾性層４０と同様に、圧縮方向の逃げを有効に確保することができるので、単位セル１０を押圧する面の平面度を向上させる効果を得ることができる。
【００３９】
また、上述した実施の形態１においては、弾性層４０は、単位セル１０と同等の大きさとして構成されているが、単位セルの大きさはこれに限られない。すなわち、弾性層４０の大きさが、単位セル１０における発電面、すなわち、ＭＥＡ２０が配置されている部位と同等の大きさしてもよい。
【００４０】
図５は、本実施の形態の変形例としての弾性層６０の形状を説明するための図である。尚、図５においては、弾性層６０、および単位セル１０を、燃料電池１００の積層方向から見た図を示している。また、単位セル１０と弾性層６０との位置関係を説明するために、エンドプレート等の他の構成要素を透視して示している。この図に示すとおり、弾性層６０は、弾性部６００とスリット部６０１を備えている。スリット部６０１は、弾性層４０におけるスリット部４０１と同様の形状を有している。また、弾性層６０の大きさは、単位セル１０におけるＭＥＡ２０面と同等の大きさとされている。
【００４１】
弾性部材の外縁部は、スリット部と同様に、弾性部が圧縮されることによる膨らみ（逃げ）を許容することができる。このため、弾性層６０のように、弾性部材の大きさをＭＥＡ２０の大きさと同等とすることで、弾性部６００の圧縮方向の自由度を更に向上させることができる。このため、当該ＭＥＡ２０面の面圧を更に均一にすることができるので、燃料電池１００における発電性能、および発電効率を効果的に向上させることができる。
【００４２】
尚、上述した実施の形態においては、弾性層４０が前記第１の発明における「弾性層」に、弾性部４００が前記第１の発明における「弾性材」に、スリット部４０１が前記第１の発明における「スリット」に、それぞれ相当している。
【００４３】
また、上述した実施の形態においては、弾性層４０が前記第２の発明における「弾性層」に、弾性部４００が前記第２の発明における「弾性材」に、スリット部４０１が前記第２の発明における「スリット」に、それぞれ相当している。
【００４４】
また、上述した実施の形態においては、弾性層４０が前記第３の発明における「弾性層」に相当している。
【００４５】
また、上述した実施の形態においては、弾性層５０が前記第４の発明における「弾性層」に、弾性部５００が前記第４の発明における「弾性材」に、スリット部５０１が前記第４の発明における「スリット」に、それぞれ相当している。
【００４６】
また、上述した実施の形態においては、弾性層６０が前記第５の発明における「弾性層」に相当している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施の形態の燃料電池１００の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施の形態の燃料電池１００の締結構造を説明するための図である。
【図３】弾性層４０を燃料電池１００の積層方向から見た図である。
【図４】本実施の形態の変形例としての弾性層５０を燃料電池１００の積層方向から見た図である。
【図５】本実施の形態の変形例としての弾性層６０を燃料電池１００の積層方向から見た図である。
【図６】本発明にかかる燃料電池１００を使用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  単位セル
１２  発電体
１４  多孔体流路
１６  多孔体流路
１８  セパレータ
２０  ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）
２２  カソードプレート
２４  アノードプレート
２６  中間プレート
２８  冷媒流路
３０  集電板
３０ａ，３０ｂ  集電板
３２ａ，３２ｂ  絶縁板
３４ａ，３４ｂ  エンドプレート
３６  締結装置
３８  押圧部
４０  弾性層
４００  弾性部
４０１  スリット部
５０  弾性層
５００  弾性部
５０１  スリット部
６０  弾性層
６００  弾性部
６０１  スリット部
１００  燃料電池
１１０  水素供給管
１１２  オフガス排出管
１１４  水素タンク
１１６  シャットバルブ
１１８  調圧バルブ
１２０  循環ポンプ
１３０  空気供給管
１３２  オフガス排出管
１３４  コンプレッサ
１３６  調圧バルブ
【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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