JP2014049269A - 固体高分子形燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】スタック面内で締結荷重をより均一にでき、発電効率や信頼性に優れた燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【解決手段】複数枚の膜・電極接合体および、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータを交互に積層し、積層方向の両端を端板で挟んだ構成の燃料電池スタックにおいて、前記端板と前記セパレータの接触面積が前記セパレータの面積よりも小さく、前記端板と前記セパレータの接触面の外周が、前記セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、積層形燃料電池(燃料電池スタック)に係り、特に高分子電解質膜を使用した燃料電池の単位セルを複数枚積層した燃料電池スタックに関する。

燃料電池には、固体高分子型，リン酸型，溶融炭酸塩型，固体酸化物型等が挙げられる。その中で、固体高分子型燃料電池は、室温から１００℃程度の比較的低温で発電が可能であり、出力密度が高いことから、上述した用途では固体高分子型燃料電池が最も適している。この電解質膜に固体高分子電解質膜を用いる燃料電池について、水素を燃料とするものは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）と呼ばれ、メタノールを燃料とするものは直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と呼ばれる。

ＰＥＦＣやＤＭＦＣは、一般的に固体高分子電解質膜の両面にアノード、カソードとなる触媒金属を担持した担持カーボンの層（以下、単に電極触媒層と述べる）が配置された構造で構成されている。これを膜・電極接合体(ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ。ここでアノード、カソードの固体高分子電解質膜とは反対の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が配置される。

たとえば燃料に水素を用いるＰＥＦＣの場合、燃料中の水素と空気中の酸素から発電中に（式１）〜（式３）に示した反応式で表される反応によって水が生成する。

アノード側 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ・・・（式１）
カソード側 １／２Ｏ₂ ＋ ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（式２）
全反応 Ｈ₂ ＋ １／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（式３）

上記の反応において固体高分子形燃料電池の発電時には単位セルあたり最大約１Vの電圧しか発生しない。このために、出力規模に応じて単セルを複数個積層し、電気的に直列に接続した積層形燃料電池が実際のシステムに用いられる。たとえば、燃料電池自動車用の燃料電池では５０〜７０ｋWの出力が求められており、２００〜５００個の単セルを積層する必要がある。この単セルの積層体を燃料電池スタックと呼ぶが、これはＭＥＡと、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータを交互に積層し、積層方向の両端に端板(エンドプレート)で挟み込む形で構成される。この燃料電池スタックについては、各燃料電池セルで（式１）〜（式３）の反応により生成した電子を流通させたり、燃料や空気をリークさせることなく流通させたりする必要があり、スタックの積層方向について均一に荷重をかけ締結する必要がある。締結力が不足したり、均一でなかった場合には、燃料や空気がリークしたり、ＭＥＡとセパレータ間の接触抵抗により効率が低下してしまう。また、締結力が強すぎた場合には、セパレータが破損したり、セパレータの燃料や空気を流通させる流路がつぶれたりする事により、発電不能に陥ってしまう危険性がある。一般的にセルスタックは、セパレータよりも大きい端板を積層方向の両端に設置し、端板のセパレータよりもはみ出した部分を利用して、複数の連結ロッドとナットを使用して締結される。しかし、この方法では、複数の連結ロッドを適切にトルク管理して締め付ける必要があり、作業に時間がかかる、各ボルト間のトルクの調整が難しいなどの問題があった。また、セパレータよりも大きい端板を用いることにより、スタックが大型化し、燃料電池スタックの体積の増加を招いていた。

この課題に対し、特許文献１には、電池モジュール(燃料電池スタック)外周にバンドを通し、ターンバックルを回転させることで燃料電池スタックを締結する方法が開示されている。

特開２００７−７３５０９号公報

特許文献１の電池モジュールによれば、複数の連結ロッドとナットを使用して締結した場合と比較してモジュール体積を小さくでき、生産性を高めることできる。しかしながら、従来の燃料電池スタックの締結構造ではスタックの周辺領域に対して中央領域で締結荷重が小さくなる傾向にあり、スタック面内で圧力分布が発生するという課題を有する。スタック面内で圧力分布が発生すると、圧力の低い部分で電極部とセパレータの接触抵抗が増加し、発電効率低下の原因となる。また、部分的に接触抵抗が増加することで電流分布も発生し、電極等の部材劣化が生じやすくなり、信頼性が低下するといった問題を有する。

本発明は、スタック面内で締結荷重をより均一にでき、発電効率や信頼性に優れた燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池スタックは、複数枚の膜・電極接合体および、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータを交互に積層し、積層方向の両端を端板で挟んで構成されており、前記端板と前記セパレータの接触面積が前記セパレータの面積よりも小さく、前記端板と前記セパレータの接触面の外周が、前記セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していることを特徴とする。

本発明によって、スタック面内での締結荷重がより均一になることでＭＥＡの電極部とセパレータの接触抵抗を低減でき、発電効率や信頼性に優れた燃料電池スタックを提供できる。

本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る端板の模式図。 本発明に係る端板締結部の模式図。 本発明に係る端板の模式図。 本発明に係る端板締結部の模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。 本発明に係る燃料電池スタックの模式図。

以下に、本発明の実施の形態を示す。

本発明に係る燃料電池スタックについて説明する。本発明に係る燃料電池スタックの基本構成の一例を図１に示す。本発明の燃料電池スタック１１は、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータ１２と、発電部である膜・電極接合体（ＭＥＡ）（図示せず）が交互に積層されており、さらにセパレータ１２およびＭＥＡの積層体の、積層方向の両端に配置され、各セパレータ１２の流路と連結された燃料入口１５、燃料出口１６、空気入口１７、空気出口１８が形成された端板１３、及び、燃料電池スタックを締結するための締結バンド１４などから構成される。次に、図１に示した本発明に係る燃料電池スタックを側面から見た図を図２に示す。図２にはセパレータ１２に設けられた燃料や空気のリークを防ぐためのシール部１９を破線で示している。ここで、本発明の燃料電池スタックの大きな特徴は端板１３を特定のサイズにしたことである。

スタックの周辺領域に対して中央領域で締結荷重が小さくなる要因の一つとして、締結荷重がかかった際にシール部１９の外周領域が変形しやすく、これに伴って端板１３が撓むことが挙げられる。シール部１９の外周領域が変形しやすい理由は以下である。シール部１９を介してセパレータ１２とＭＥＡを積層した際にシール部１９の外周領域にはセパレータ１２とＭＥＡの間に空間が存在する。この領域に締結荷重が加わると空間が潰れることで中央部よりも変形が大きくなるためである。従来の締結構造では、セパレータの全面を端板で押さえつけた構成を採用しているため、シール部１９の外周領域における変形が大きくなり、これによりスタック面内の圧力分布が生じていた。

これに対して、本発明ではシール部１９の外周領域に大きな締結荷重がかからないように端板のサイズを調整している。図２に示したように、本発明の燃料電池スタック１１では、端板１３の端部がセパレータの外周よりも内側で、かつ、シール部１９よりも外側、あるいは、シール部１９と重なる位置にしたことを特徴とする。ここで、内側、外側とは、基準位置に対しスタック中央部に向かう方向を内側、スタック中央部から遠ざかる方向を外側とする。

このように端板をセパレータの外周サイズよりも小さくしたことによって、端板よりも外側に位置する積層体への締結荷重が小さくなり、積層体の外周領域の変形を抑制することができる。これにより、端板の撓みが抑制されることで、スタック面内の締結荷重をより均一にできる。なお、端板の外周をシール部よりも内側に設けてしまうと燃料や空気のリークや、発電面での締結荷重のばらつき発生の原因となるため好ましくない。そのため、本発明では端板の外周はシール部と重なる位置かそれよりも外側とする。シール部外周領域の変形を抑制する観点からは、端板の外周の位置はシール部材により近いことが好ましい。

なお、ここで重要な点はスタック外周部に端板の面圧がかからないようにすることであり、端板とセパレータの接触面積がセパレータの面積よりも小さく、端板とセパレータの接触面の外周が、セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していればよい。図１、２では、端板の端部をセパレータよりも内側に位置した例を示したが、例えば、図１２のようにセパレータと対向する面が小さくなった端板を用いることも可能である。
(実施例１)
図３は本実施例に係る端板を示したものである。また、図４は端板締結部の模式図を示したものである。本実施例の端板１３には、燃料電池スタックを締結するための締結バンドを収容する溝形状の締結バンドガイド部２０が形成されている。この締結バンドガイド部２０によって締結バンドがずれないようにしている。バンドガイド部２０については、中央部から外周部に行くにしたがって板厚が減少しているが、外周部で厚さを０にしてしまうと、締結バンド１４を締め付けた際、締結バンド１４と端板に接した最外部のセパレータとの干渉により、締結バンドガイド部２０と締結バンド１４が外周部付近で一部浮いた状態になってしまう。そのため、図４の端板締結部の模式図に示したように、締結バンド１４を締め付けた際にも、締結バンドガイド部２０全面と締結バンド１４が接するよう、外周部に厚さを持たせてある。すなわち、締結バンドで締結した際に、締結バンドガイド部２０からスタック側面に至るまでの間に締結バンドが屈曲する部分がなくなるように端板の外周部に位置する締結バンドガイド部２０の溝の深さを調整している。締結バンドに屈曲点があるとその部分に荷重が集中し、面内圧力のばらつきを生じやすくなるためである。

なお、端板については、ステンレス鋼、アルミニウム、強化プラスチックなど、種々の材料が使用可能であり、使用する材料の弾性率によって厚さを制御することにより、スタックの均一締結に必要な機械強度を保持することができる。また、バンドの締結方法については、ねじによって締結する、ターンバックルを回転させることによって締結する、バンドの両端にそれぞれが対抗して引っ掛ける機構を設けることによって締結する、など種々の方法が考えられるが、燃料電池スタックに荷重をかけた状態でその荷重を維持したまま締結できる方法であれば、いずれの方法でもよい。
(実施例２)
図５は、本実施例に係る端板の別の形態の一例である。また、図６は端板締結部の模式図を示したものである。本実施例では、バンド締結部の端板の幅がセパレータの幅と同一になるよう締結バンドガイド部２０に締結バンドガイド羽部２１を持たせているのが特徴である。この締結バンドガイド羽根部２１により、端板の締結バンドガイド部２０から燃料電池スタック側面部に締結バンドを導くようにしている。このような形状とすることにより、締結バンド１４が端板１３と接している最外部のセパレータの外周部に干渉して、セパレータ１２と締結バンド１４との接触部への荷重の集中を防止することが可能となる。
(実施例３)
図７〜図９は、本実施例に係る燃料電池スタックの別の形態の一例である。本実施例では、実施例１および実施例２に示した締結バンドの変わりに、板ばね２２を用いて燃料電池スタックを締結したものである。このような締結方法をとることにより、燃料電池スタックの締結力を実施例１および２と同じように最適な状態に保ちながら、締結バンドの際に注意しなければならない締結バンドと端板と接しているセパレータの外周部との干渉を防止することが可能となる。
(実施例４)
図１０〜図１１は、本実施例に係る燃料電池スタックの別の形態の一例である。本実施例の端板は、投影面積はセパレータと同じであるが、凸形形状をしており、セパレータと接する面はセパレータより小さく、燃料や空気のリークを防止するためのシール部よりも大きな面積となっている(図１１のハッチング部)。このような端板形状をとることにより、燃料電池スタックの締結力を実施例１〜３と同じように最適な状態に保ちながら、締結バンドの際に注意しなければならない締結バンドと端板と接しているセパレータの外周部との干渉を防止することが可能となる。
(実施例５)
図１２は、本実施例に係る燃料電池スタックの別の形態の一例である。本実施例の端板は、投影面積はセパレータと同じであるが、台形形状をしており、セパレータと接する面は実施例４と同様の形状としており、セパレータより小さく、燃料や空気のリークを防止するためのシール部よりも大きな面積となっている(図１１のハッチング部)。このような端板形状をとることにより、燃料電池スタックの締結力を実施例１〜３と同じように最適な状態に保ちながら、締結バンドの際に注意しなければならない締結バンドと端板と接しているセパレータの外周部との干渉を防止することが可能となる。
(比較例)
本比較例は、実施例１の端板のサイズをセパレータと同サイズにしたものである。その他の構成については実施例１と同様である。
（評価）
上述した各実施例および比較例について、端板の厚みを同じにした際の端板重量および、両端板間の中心部と外周部の厚さ(端板間距離変位(外周部厚さ／中心部厚さ))を測定することで、スタックのたわみを評価した。なお、端板の材質はポリアセタールとし、最も厚い部分の厚さを１５ｍｍとした。

評価結果を表１に示す。なお、端板重量については、比較例を１に規格化した値で示す。いずれの実施例もセパレータ形状、ＭＥＡ形状は同一であり、締結荷重についても、セパレータ全面に均一に荷重がかかったと仮定した際、同じ荷重となるよう締結した。ここで、端板間距離変位については、まったく端板にたわみがなく均一に締結されている場合が１であり、１からずれるほど端板が変形していることを示す。すなわち、端板間距離が０．９８の場合は、外周部に比べ中心部で両端板間の厚さが厚く、ＭＥＡの電極部の荷重が中心部にいくにしたがって弱くなっており、接触抵抗による発電ロスが大きくなることを示しているといえる。なお、表1に示した今回評価した燃料電池スタックについては、比較例も含めいずれのスタックもリークは確認されなかった。

比較例の燃料電池スタックと比較して、実施例１〜５の端板重量は６〜９％重量を低減できるとともに、端板間距離変位も１／２〜１／４に低減しており、スタックの厚さ方向のたわみが少なく、面圧が均一になっていることが確認できた。

以上のように、本発明の燃料電池スタックを適用することにより、燃料電池スタックの軽量化および面圧の均一化による電極とセパレータの接触抵抗の低減が可能となる。

本発明は、積層形燃料電池(燃料電池スタック)に係り、特に高分子電解質膜を使用した燃料電池を複数枚積層した積層形燃料電池(燃料電池スタック)に関するものであり、水素を燃料として発電するＰＥＦＣ、メタノールを燃料として発電をするＤＭＦＣや、ＤＭＦＣの一種であるアニオン交換基を有するアニオン交換型電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池(ＡＦＣ)およびこれらを電源として搭載した電子機器、自動車、定置用発電機などに利用できる。

１１ 燃料電池スタック
１２ セパレータ
１３ 端板
１４ 締結バンド
１５ 燃料入口
１６ 燃料出口
１７ 空気入口
１８ 空気出口
１９ シール部
２０ 締結バンドガイド部
２１ 締結バンドガイド羽根部
２２ 板ばね
２３ 端板とセパレータの接触部(ハッチング部)

Claims (4)

1. 複数枚の膜・電極接合体および、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータを交互に積層し、積層方向の両端を端板で挟んだ構成の燃料電池スタックにおいて、
   前記端板と前記セパレータの接触面積が前記セパレータの面積よりも小さく、前記端板と前記セパレータの接触面の外周が、前記セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１において、前記燃料電池スタックは締結バンドを用いて締結されており、前記端板には締結バンドを収容する溝形状の締結バンドガイド部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２において、前記端板の締結バンドガイド部から燃料電池スタック側面部に締結バンドを導くための締結バンドガイド羽根部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１において、前記端板の端部がセパレータの端部よりも内側に設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。