JP4083303B2 - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型燃料電池、さらに詳しくは高分子電解質膜を一対の電極および電極へのガス供給路を有する一対のバイポーラ板で挟持した素電池の積層体を締め付ける構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、通常プロトン伝導性の高分子電解質薄膜、アノードおよびカソードの電極、それぞれの電極周縁部に位置するガスケット、並びにカーボンあるいは金属製のバイポーラ板や冷却板から構成されている。電池反応に寄与する電極触媒層は、貴金属触媒を担持したカーボン粉末と電解質と同等の材料の混合物を構成材料とし、場合によってはさらにフルオロカーボン化合物系の撥水材などを添加した混合物が一般的な構成材料である。電極は、前記電極触媒層とガス拡散層とを接合して構成される。このようにして構成した電極は、電解質である高分子膜と組み合わせて電池を構成する。アノードおよびカソードの構成材料は、純水素を燃料として用いる場合、同一のものを使用することが可能である。炭化水素系燃料を改質した水素リッチなガスを燃料とする場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素による貴金属触媒の被毒を抑制するため、アノード側のみにルテニウムなどの耐ＣＯ被毒材料を添加して構成することもある。
【０００３】
電解質には、スルホン基を含むフッ化炭素系の高分子が一般的に用いられ、水分を含んだ状態でプロトン伝導性の電解質として機能する。そのため電池の作動状態では、電解質は、常に水分を含んだ状態である必要があるが、水分を含んだ状態の電解質は、強酸性を呈する。そのため、電解質と直接接する部分の材料には耐酸性が要求される。また、電極中にも電解質と同等の材料が混合されているため、電極と直接接する部分の材料にも耐酸性が要求される。
【０００４】
そのため、従来は、電解質と直接接するガスケットなどには、耐酸性の強いフルオロカーボン系の材料が主として用いられてきた。一方、ガスケットは、電極の周縁部に位置し、バイポーラ板に狭持されてそれぞれの電極に供給されるガスを外部に逃さない役目を果たしている。テフロン等の硬いガスケットを予め電極の周縁部に設置した後、バイポーラ板で狭持して電池とするためには、電極とガスケットの厚みを予め精度よく調整しておく必要がある。しかし、ガスケットがゴム状の弾力性を有すれば、厳密な寸法精度は必要なく、ある程度の厚み調整でガスケットとしての機能を果たすことが可能となる。そこで、ガスケットに求められる特性として、耐酸性と共に、ゴム状の弾力性を有することが望ましい。そのため、テフロンと比較すると耐酸性は劣るが、弾力性を有するエチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体配合物（ＥＰＤＭ）等がガスケット材料として使用されるケースもあった。
【０００５】
また、バイポーラ板は、電極と直接接するため耐酸性が要求されると同時に、ガスタイトであることと電気伝導性が求められる。また、酸化剤として空気を用いる場合には、カソードに供給される空気の流速を高めて、生成する水または水蒸気を効率よく排除してやる必要がある。そこでバイポーラ板のガス流路構造には、図２に示すような、通常サーペンタイン型と呼ばれる複雑な流路構造が用いられてきた。そのため、バイポーラ板の材料としては、ガスタイトである緻密なカーボン板、樹脂を含浸したカーボン板、あるいはグラッシーカーボン等のカーボン系材料を用い、これに切削加工を施し、ガス流通溝を設けてバイポーラ板として用いてきた。また、場合によっては耐食性合金板を切削加工し、あるいは貴金属メッキを施してバイポーラ板として用いてきた。
さらに、場合によっては、電極と接する電気伝導性の必要な部位にのみ、前記カーボン系材料や耐食性金属材料を用い、周辺部のマニホールド部などの電気伝導性の必要ない部分には樹脂を使った複合材料のバイポーラ板等の試みもあった。また、カーボン粉末や金属粉末と樹脂とを混合し、プレスまたは射出成形により成形することも考案されている。
【０００６】
これら、高分子電解質薄膜、アノードおよびカソードの電極、それぞれの電極周縁部に位置するガスケット、およびバイポーラ板や冷却板から構成される素電池積層体２０の上下を挟む端板１２、１３を締めつける従来の締結構造は、図６に示すように、ばね１４、ボルト１５及び、ナット１６で構成されるのが一般的である。これら締結部品は、冷却水または内部加湿部の水またはガスをシールするため、または、燃料電池構成部品間各々の電気伝導性を高めるため、所定の一定荷重をかけて締め付ける役目をしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この高分子電解質型燃料電池においては、電池の反応に直接寄与しない部分である締結構成要素のコンパクト化により、体積出力密度の向上が要求されている。
本発明は、高分子電解質型燃料電池の締結部品のコンパクト化により、体積出力密度の向上を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、従来、ボルト、ばね、およびナットで構成されていた締結構造を改良し、ボルトを螺合した締め付け板を付加し、ボルトの螺入度合いによりバンドを締め付けてばねを圧縮し、これによって素電池積層体の各構成要素を締め付ける構造としたものである。
本発明によれば、締結部品のコンパクト化により、より体積出力密度の高い高分子電解質型燃料電池が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、
高分子電解質膜、前記電解質膜の中央部を挟持するアノードおよびカソード、前記電解質膜の周縁部を挟持するガスケット、および前記電極へのガス供給路を有し前記電極およびガスケットを挟持する一対のバイポーラ板からなる素電池の複数を含む素電池積層体、
前記素電池積層体の外側に配置された一対の端板、
前記一対の端板の一方の外側に配置された締め付け板、
前記素電池積層体、一対の端板、および締め付け板を囲繞し、前記素電池積層体を所定の圧力で締め付けるバンド、
前記締め付け板に螺合され先端が前記一対の端板の一方に接触するボルト、並びに
前記一対の端板の他方側のみに設けられ、前記ボルトを前記締め付け板に螺入させると前記バンドの締め付け力に抗する方向の反発力を有するばね
を具備することを特徴とする。
この構造によれば、薄い板からなるバンドにより締結できるため、狭いスペースで構成できるという利点を有する。
【００１０】
また、バンドを複数個にすることにより、各々のバンドにかかる力を分散させ、応力集中を低減させることができる。
バンドの締め付け力に抗する方向の反発力を有するばねを付加することにより、素電池の構成要素に一定圧力を常に負荷することができる。この構成によると、バンドの締結力をばねにより管理することで均一に加重を加え、また、熱変形、振動による微小変形に対しても比較的大きなばね定数のばねを使用することで常に一定加重を加え続けることができる。また、ばねを加重を加えたい位置に自由に配置することが可能になり、冷却水または内部加湿部の水またはガスをシールするためにもっとも圧力を加えたい部分、または、燃料電池構成部品間各々の電気伝導性を高めるためにもっとも圧力を加えたい部分に加重を重点的に負荷することが可能になる。
【００１１】
以下に具体的な実施の形態を説明する。
まず、図１により素電池積層体の構造を説明する。
１は方形の高分子電解質膜を表している。この電解質膜１の中央部は、アノード２ａとカソード２ｂにより挟持され、周縁部はガスケット３ａと３ｂとにより挟持されている。上記の電解質膜−電極組立体は、バイポーラ板４ａと４ｂにより挟持される。バイポーラ板４ａは、図２に示すように、アノード２ａと接する面に、アノードへの燃料ガスの供給路を形成する溝５ａが設けられている。溝５ａの一方は燃料供給口６ａに、また溝５ａの他方は燃料ガスの排出口７ａにそれぞれ連通している。一方、バイポーラ板４ｂは、カソード２ｂと接する面に、カソードへの酸化剤ガス供給路を形成する溝５ｂが設けられている。この溝５ｂの一方は酸化剤ガス供給口６ｂに、また溝５ｂの他方は酸化剤ガスの排出口７ｂにそれぞれ連通している。
【００１２】
そして、ガス供給口６ａ、６ｂおよびガス排出口７ａ、７ｂは、バイポーラ板４ａ、４ｂのみでなく、ガスケット３ａ、３ｂをも貫通しており、複数積層された各セルに並列に酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されるようになっている。
また、バイポーラ板の背面には冷却水を通すための溝８が設けてあり、隣接するセルバイポーラ板４ａと４ｂとの間には冷却水の通路が形成され、これら溝８は、積層体に貫通して設けられる供給口９および排出口１０に連通している。
このようにして、電解質膜１をアノード２ａとカソード２ｂおよびガスケット３ａと３ｂで挟み、さらにこれらをバイポーラ板４ａ、４ｂで挟んだ構造の単セルを複数積層し、さらに端末用バイポーラ板１１ａと１１ｂで挟むことにより素電池積層体２０が構成されている。
【００１３】
以下、この素電池積層体を締結した燃料電池装置の実施の形態を説明する。
【００１４】
《実施の形態１》
図３〜５は本実施の形態を示している。この燃料電池装置は、素電池積層体４０の上下に端板４１ａ、４１ｂを配し、これらを複数のバンド４２で締めつける構造としている。 そのためバンド１本当たりに加わる加重が分散され、応力集中を低減させる作用を有する。バンドによる締めつけ構造を以下に説明する。
素電池積層体４０を囲繞するバンド４２は一体に連結された構造を有する。かわりに、バンドの両端部が締めつけボルト４３を螺合した締めつけ板４８に連結ないしは係合されていてもよい。
端板４１ｂのバンド４２と対応する位置には、締めつけ板４４が設けられ、端板４１ｂおよび締めつけ板４４の対向する部分には、ばね４５を受け入れる凹部４６および４７をそれぞれ有する。
【００１５】
ボルト４３を締めつけ板４８へ螺入させると、ボルト先端が端板４１ａを押圧し、端板４１ｂと締めつけ板４４との間のばね４５を圧縮し、これによって素電池積層体４０の各構成要素を締めつける。このようにして、バンド４２による締結力をばねにより管理し、所定の一定加重を加え続けることができる。ばねとしては、図５では圧縮つる巻きばねで示されているが、例えば皿ばね、板ばね、ゴムなどの弾性体等が使用でき、特に皿ばねは省スペース化の点から好ましい。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、バンドによる締結力をばねにより管理し、所定の一定加重を加え続けることができる。したがって、高分子電解質型燃料電池の締結部品の省スペース化を図り、高分子電解質型燃料電池の体積出力密度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例における素電池積層体の縦断面図である。
【図２】 同素電池積層体のバイポーラ板の平面図である。
【図３】 本発明の一実施例における燃料電池装置の平面図である。
【図４】 同燃料電池装置の正面図である。
【図５】 図３の V − V ’線断面図である。
【図６】 従来の燃料電池装置の締めつけ装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ａ、３ｂ ガスケット
４ａ、４ｂ バイポーラ板
５ａ、５ｂ、８ 溝
６ａ、６ｂ ガス供給口
７ａ、７ｂ ガス排出口
９ 冷却水供給口
１０ 冷却水排出口
１１ａ、１１ｂ 端末用バイポーラ板
４０ 素電池積層体
４１ａ、４１ｂ 端板
４２ バンド
４３ ボルト
４４、４８ 締め付け板
４５ ばね
４７、４７ 凹部

Claims (3)

1. 高分子電解質膜、前記電解質膜の中央部を挟持するアノードおよびカソード、前記電解質膜の周縁部を挟持するガスケット、および前記電極へのガス供給路を有し前記電極およびガスケットを挟持する一対のバイポーラ板からなる素電池の複数を含む素電池積層体、
   前記素電池積層体の外側に配置された一対の端板、
   前記一対の端板の一方の外側に配置された締め付け板、
   前記素電池積層体、一対の端板、および締め付け板を囲繞し、前記素電池積層体を所定の圧力で締め付けるバンド、
   前記締め付け板に螺合され先端が前記一対の端板の一方に接触するボルト、並びに
   前記一対の端板の他方側のみに設けられ、前記ボルトを前記締め付け板に螺入させると前記バンドの締め付け力に抗する方向の反発力を有するばね
   を具備することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
2. バンドが、複数個で構成されている請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
3. 前記一対の端板の他方の外側に配置された締め付け板をさらに具備し、この締め付け板と前記一対の端板の他方との間に前記ばねが配されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。

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