JPH07335243A

JPH07335243A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH07335243A
Application number: JP6124082A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nonobe; 康宏野々部; Yoichi Ishimaru; 洋一石丸; Yoshio Kimura; 良雄木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】所定の面圧付与を行う燃料電池の部品点数を
減少させる。【構成】スタック容器２３内に積層セル体２１を収容
し、この積層セル体２１の上部に、スタック容器２３内
部を摺動移動する押圧板２５を設け、この押圧板２５と
スタック容器２３内壁とからなる圧力室２６を形成す
る。この圧力室２６に圧力流体を供給することにより、
積層スタックに所定の押圧力が加えられることになるた
め、押圧用チューブ等の他の押圧部材を設ける必要がな
くなり、部品点数を減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池、特に単セル間
に所定の面圧を付与するために好適な構造を有する燃料
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】

［燃料電池］燃料電池は、図８に示されるような単セル
を単位として発電を行う。単セル１１では、マトリクス
１３の両側に電極１４を配置し、この両側に更にセパレ
ータ１５が配置されている。ここで、マトリクス１３に
は電解質が含浸されており、電極１４には触媒が塗布さ
れている。セパレータ１５には、原料ガスを流通するガ
ス流路１５ａが設けられており、ここを流通する原料ガ
スの反応エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換さ
れる。原料ガスには、例えば水素と酸素のような組み合
わせが採用される。この場合において、水素のような還
元性のガスを燃料ガス、酸素のような酸化性のガスを酸
化剤と呼ぶ場合もある。

【０００３】［単セルの積層］一般的に、燃料電池にお
いては、上記のような単セル１１を複数枚積層して積層
セル体を構成し、ここから電力を取り出すようにしてい
る。これは、単セル１枚当たりでは起電力が小さく、実
用的な電力を得ることができないからである。しかしな
がら、このような積層セル体を構成した場合には、直列
接続された単セルの間に接触抵抗が生じ、これがそのま
ま電池の内部抵抗となり、電池性能の低化を招く原因と
なる。現在では、このような内部抵抗を減少させるため
には、単セル間に約６〜４０ｋｇ／ｃｍ²程度の大きさ
の面圧を加える必要があることが知られている。

【０００４】［面圧の付与］現在のところ、面圧の付与
は、上記積層セル体の両端に設けられた端板によって行
われるのが一般的である（特開昭 61-198572号公報、実
開昭 62-149166号公報）。具体的に説明すると、端板に
より面圧付与を行う場合には、図９に示されるように、
上記積層セル体に電極等が付加されて構成されたスタッ
ク１７の両端に端板１８を設け、これを締付棒１９で締
め付ける。締付棒１９による締め付けは、締付棒１９と
端板１８の接続部分に設けられた締付具２０のネジ締め
により行われ、この締付具２０と締付棒１９のネジ締め
量を変化させることにより単セル間にかかる面圧の大き
さが調整される。

【０００５】ところが、締付棒１９を用いた場合には、
その締め付けに不均一が生じ、積層セル体のある一部に
過大な圧力がかかり単セルが破壊（座屈）してしまうお
それがある。一方、セルの座屈を防ぐために締め付けを
緩めると、必要な面圧が付与されない部分を生じ、その
部分につき接触抵抗を減少させることができず、電池性
能を十分に発揮させることができない場合も生じる。

【０００６】これを解決し、均一な面圧を付与せんとす
るものとして、図１０に示されるような燃料電池が考案
されている（特開昭 58-163185号公報）。この燃料電池
によれば、チューブ状の袋である加圧槽１７ａをスタッ
ク１７上に設け、この加圧槽１７ａにガスを供給し、そ
れを膨脹させることによりスタック１７を加圧するよう
にしている。このような構成とすることにより、締付棒
１９で締め付けを行った場合よりも均一な面圧を付与す
ることが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
58-163185号公報記載の燃料電池は、加圧手段がチュー
ブ状の袋にガス供給をするようにしているため、当該チ
ューブ状の袋自体により、並びにこの袋を覆うケース及
び電池全体を覆うケースが特別に必要となることにより
部品点数が増大するという問題があった。

【０００８】本発明は以上のような問題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、所定の面圧付与を行う燃料
電池の部品点数を減少させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために本発明に係る燃料電池においては、電池の単
セルが積層された積層セル体をスタック容器内に収容
し、このスタック容器をシリンダとして移動する押圧板
によって積層セル体を押圧して単セル間に所定の面圧を
付与することを特徴とする。

【００１０】即ち、本願の請求項１の発明に係る燃料電
池においては、電池の複数の単セルが積層された積層セ
ル体と、この積層セル体を収容するスタック容器と、こ
のスタック容器をシリンダとして当該スタック容器内部
を摺動移動する押圧板と、前記スタック容器を蓋する蓋
体と、この蓋体と前記押圧板の間に流体を加圧供給する
加圧源と、を含み、前記スタック容器の底部と前記押圧
板の間に積層セル体を配置し、前記押圧板と前記蓋体の
間に加圧供給された流体の圧力により前記押圧板で前記
積層セル体の上面を押圧して前記単セル間に所定の面圧
を付与することを特徴とする。

【００１１】また、本願の請求項２の発明に係る燃料電
池においては、請求項１記載の燃料電池において、前記
押圧板と前記積層セル体の上面の間に、流体が加圧供給
されていない状態でも前記単セル間に必要な最低限の面
圧を付与する弾性部材を備えることを特徴とする。

【００１２】なお、本発明に係る燃料電池は、上記構成
に加えて、次のような構成を備えると好適である。

【００１３】前記押圧板と積層セル体の間に、当該押圧
板と積層セル体上面の間の気体の通過を遮断するシール
材を設ける。

【００１４】前記押圧板と蓋体の間の圧力が所定値以上
になると開き、当該押圧板と蓋体の間に加圧供給された
流体を排出する排出バルブを備える。

【００１５】前記加圧源からの流体の加圧供給量を制御
する制御バルブを備え、燃料電池が完全に停止したとき
に該制御バルブを閉じ、前記押圧板と前記蓋体の間を所
定の圧力に保つようにする。或いは、燃料電池による電
力供給が停止しかつ温度が所定値以下となったときに該
制御バルブを閉じ、前記押圧板と前記蓋体の間への流体
の加圧供給を停止するようにする。

【００１６】なお、加圧供給される流体は、燃料電池の
パージガスであると好適である。

【００１７】

【作用】以上のような構成を有する本発明の燃料電池に
おいては、スタック容器内部の蓋体と押圧板の間の空間
に流体が加圧供給されると、当該押圧板が積層セル体側
に移動し、当該積層セル体の上面を押圧する。これによ
り、積層セル体を構成する単セルの間に所定の面圧が付
与される。この場合において、面圧は流体の圧力により
行われるため、均一な面圧を付与することが可能とな
る。即ち、流体により加圧を行った場合には、バネ等の
弾性部材とは異なり、押圧板の全面に対してそれぞれ均
一の圧力が及ぶため、均一な面圧を付与することができ
るのである。

【００１８】なお、上記空間に弾性部材を備えることに
より（請求項２）、流体が加圧供給されていない状態で
も、所定の電池性能を発揮させるのに必要な最低限の面
圧を単セル間に付与することができる。

【００１９】更に、シール材を設けた場合には、押圧板
と積層セル体上の間の気体のリークが防止できるので、
燃料ガスと原料ガスの不用意な混合が防止できる。

【００２０】また、排出バルブを備えることにより、過
大な面圧が付与される前に流体が逃がされるので、何ら
かの原因で過大な圧力が加わった場合でもセルの座屈を
防止することができる。

【００２１】また、制御バルブを備える場合には、電力
供給が完全に停止したときに当該制御バルブが閉じられ
て加圧状態が保持される。このため、電力供給が停止し
た後でも単セル間に所定の面圧が付与された状態が保た
れることになる。この場合において、燃料電池は作動中
に熱を発生するが、温度が所定値以下となったときに閉
じられる制御バルブを備えた場合には、温度低下に伴う
流体体積の減少による面圧の低下を防止することができ
る。

【００２２】

【実施例】

＜第１実施例＞図１は本発明の好適な第１実施例に係る
燃料電池の縦断面図である。この図１に示されているよ
うに、本実施例に係る燃料電池は、電池の単セルが積層
されて形成された積層セル体２１と、この積層セル体２
１を収容するスタック容器２３と、このスタック容器２
３を蓋する蓋体２４と、スタック容器２３内部を摺動移
動する押圧板２５と、を有している。このような構成を
有する場合には、この押圧板２５と蓋体２４の間には、
流体が流入する圧力室２６が形成される。実施例におい
て、この圧力室２６には、注入口２８を介して流体を圧
入するようにしており、同時に、ここからの流体漏出を
防止するために、蓋体２４とスタック容器２３の間にＯ
リング２９を設けている。また、圧力室２６の気密性を
保持するため、押圧板２５の周囲にもＯリング３０を設
けている。

【００２３】このような構成を有する第１実施例に係る
燃料電池においては、注入口２８から流体が圧入される
と、圧力室２６の内圧が増大し、押圧板２５が積層セル
体２１を押圧する。この押圧板２５の押圧力は、積層セ
ル体２１を構成する単セル間の面圧となる。従って、第
１実施例に係る燃料電池においては、流体を圧力室２６
に圧入することにより、単セル間に所定の面圧を付与す
ることができる。

【００２４】図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、
図２（ｂ）はその裏面図である。これらの図に示されて
いるように、第１実施例に係る燃料電池においては、ス
タック容器２３と積層セル体２１の間の空間は、ガスを
流通させるためのマニホールドとされている。即ち、こ
の第１実施例においては、スタック容器２３の内壁と積
層セル体２１の間の空間がマニホールドとして構成さ
れ、これにより燃料ガス及び原料ガスの給排を行ってい
る。実施例において、原料ガスは、原料ガス供給管３１
ａから供給され、マニホールド３３ａを介して各単セル
に供給される。各単セルからの排気ガスは、マニホール
ド３３ｂを介して原料ガス排気管３１ｂに導かれ、ここ
から排出される。一方、酸化ガスについても、原料ガス
と同様に、酸化ガス供給管３４ａ、マニホールド３５
ａ、各単セル、マニホールド３５ｂ、酸化ガス排気管３
４ｂを順に通る。なお、実施例においては、原料ガスと
酸化ガスが互いに混合し合わないように、積層セル体２
１の四隅にはガスケット３７を設けている。また、積層
セル体２１の上面と押圧板２５の間には、シール材３８
を設けている。

【００２５】シール材３８は、端部のスタック上面と押
圧板２５との片当たり又は両面の細かな凹凸に起因する
ガスの洩れを防止するため、弾性シール材（例えば、Ｎ
ＢＲゴム、グチルゴム等のゴムガスケット）を用いる
と、より好ましい。または、スタック上面と押圧板２５
とを接着材にて一体化することも可能である。このこと
は、スタック下端と容器２３の底面との場合においても
同様である。なお、押圧板２５を端子板として用いる場
合には、上記弾性シール中に導電性の粒子（カーボン
等）を配合したものを用いるとよい。

【００２６】ガスケット３７は、容器２３へ電気が伝達
されるのを防止するため、絶縁性を有したシール材（例
えば、上記の弾性シールと同じ材質）が好ましい。ま
た、上述したように押圧板２５が端子としての機能を有
している場合には、Ｏリング３０を同じように導電性を
有した材質にて構成するとよい。

【００２７】容器２３を導電性の材質（アルミ、銅合金
等）で構成している場合には、上述のシール材及びガス
ケットの絶縁処理に併用して、容器２３の内周面側に絶
縁コート（例えば、エポキシ樹脂、ガラス材）を施すと
よい。また、容器２３の外周に行ってもよい。なお、容
器２３を絶縁性の樹脂等で構成してもよい。

【００２８】以上のようにして構成されている第１実施
例に係る燃料電池においては、スタック容器内壁を摺動
移動する押圧板２５により面圧を付与するようにしたた
め、面圧付与に必要な部品点数を減少させることができ
る。また、容器２３が積層セル体２１の収納容器として
だけでなく、面圧付与手段及びマニホールドとしての機
能をも有しているため、燃料電池の構成をシンプルにす
ることができる。

【００２９】＜第２実施例＞第２実施例は、内部マニホ
ールドタイプ（第１実施例は外部マニホールドタイプ）
の燃料電池についての実施例である。図３は、第２実施
例に係る燃料電池の構成を示す縦断面図である。なお、
第１実施例と同一の構成要素には同一符号を付しその説
明を省略する。

【００３０】第２実施例においては、積層セル体４１を
押圧板２５により押圧する点は第１実施例と同じである
が、内部マニホールドタイプであるために、原料ガス及
び酸化ガスの注入方法が異なる。即ち、本第２実施例に
おいては、積層セル体２１に設けられている内部マニホ
ールドに対して、スタック容器２３の下部からガスを供
給するようにしている。

【００３１】図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。この
図４に示されているように、原料ガスは積層セル体２１
の底面に設けられた原料ガス注入口４３ａから注入さ
れ、内部マニホールドを通った後、原料ガス排出口４３
ｂから排出される。一方、酸化ガスは、酸化ガス注入口
４４ａから注入され、酸化ガス排気口４４ｂから排気さ
れる。

【００３２】なお、容器と積層セル体２１との空間（第
１実施例でマニホールドとして用いた部位）には定圧で
パージガスを充填或いは循環させておき、緩衝的な空間
としておいてもよい。または、容器２３に複数の貫通穴
を形成して外気を流通させて積層セル体の冷却を行って
もよい。

【００３３】＜第３実施例＞第３実施例は、内部マニホ
ールドタイプの積層セル体４１の形状に合わせて直方体
形状としたスタック容器５０を用いた場合の実施例であ
る。図５は第３実施例に係る燃料電池の構成を示したも
のであり、図５（ａ）はその縦断面図、図５（ｂ）は図
５（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。なお、第１実施例及び
第２実施例と同様の構成要素には同一符号を付しその説
明を省略する。

【００３４】第３実施例に係る燃料電池においては、積
層セル体４１の形状に合わせて直方体形状のスタック容
器５０が採用されると共に、用いられる押圧板５１も四
角形とされている。

【００３５】なお、容器２３とセル外形との空隙には絶
縁性で且つ熱電導率の高い部材を充填し、容器２３に熱
が伝達されるようにし、容器２３を放熱体として用いる
ようにしてもよい。また、容器２３自体にフィンを設
け、その冷却性を高めるようにしてもよい。

【００３６】＜最小限の面圧付与＞上記第１〜３実施例
に係る燃料電池の圧力室２６には、それぞれつる巻きバ
ネからなる弾性体３９を取り付けている。この弾性体３
９は、積層セル体４１に対して所定の付勢力を加えてい
る。この付勢力は、燃料電池が実用的な電池として機能
するのに必要な最低限の面圧が単セル間に付与されるよ
うに調整されている。従って、本実施例に係る燃料電池
は、圧力室２６に流体が圧入されていない状態でも、実
用電池として機能するのに必要な最低限の面圧が単セル
間に付与されている。

【００３７】弾性体３９により最少限の面圧付与を行う
ことにより、流体供給系の異常等によって加圧流体の供
給が断たれた場合でも、スタック中に残存している燃料
ガス及び酸化ガスが混じることがない。また、供給加圧
流体は弾性体３９の不足分を補えば良いため、加圧に用
いるエネルギーの消費が抑制できる。

【００３８】なお、本実施例においては、圧力室２６内
に積層セル体４１の温度を監視する温度センサ４０が取
り付けられている。

【００３９】＜圧力室への流体供給機構＞図６は、本実
施例に係る燃料電池の圧力室２６に流体を供給する機構
を示した図である。なお、制御の対象となる燃料電池
は、代表的なものとして第２実施例に係る燃料電池を採
用している。

【００４０】この燃料電池においては、原料ガスとして
水素ガスを採用し、酸化ガスとして酸素を採用する（但
し、説明の便宜上酸素ガスについては図示していな
い）。そして、これらの燃料ガスのパージガスとして窒
素ガスを用いている。これらの配管の分岐点及び要部に
はそれぞれ対応するバルブが設けられている。また、こ
れらのバルブの開閉はコントローラ５５により制御され
る。

【００４１】本実施例においては、燃料電池の圧力室２
６に加圧供給される流体として、パージガスである窒素
ガスを用いている。すなわち、本実施例においては、パ
ージガスの分岐の一部を流体供給口２８に導き流体の圧
入を行う。本実施例においては、水素ガスあるいは窒素
ガスの噴出量を調整する調圧バルブ５７がそれぞれ設け
られ、水素ガス側の調圧バルブ５７の下流には流量制御
弁５８が設けられている。更に、パージガスと燃料ガス
の分岐地点には流路切換バルブ５９が設けられており、
この流路切換バルブ５９によりパージガスと水素ガス
（燃料ガス）のいずれか一方を選択して供給できるよう
にしている。過剰の混合ガスは逃がしバルブ６１により
外部に逃がされる。排気量の調整は背圧調整バルブ６３
により行われ、この排気バルブを調整することにより積
層セル体内部の内圧が調整できる。

【００４２】本実施例においては、その特徴的な構成と
して、流体供給管６４に逃がしバルブ６５が設けられて
いる。このような構成を採用することにより、流体供給
管内の圧力が所定値以上に上昇すると、この逃がしバル
ブ６５からパージガスが外部に逃がされる。これによ
り、圧力室２６内部が過剰に加圧されることがなく、積
層セル体の破壊を防止することが可能となる。なお、圧
力室２６へのガスの供給量の調圧は調圧バルブ５７によ
って行われるが、当該圧力室２６へのガス供給の切換え
は、その注入口２８付近に取り付けられた開閉バルブ６
７によって行われる。

【００４３】＜流体供給制御＞図７は、本実施例に係る
燃料電池に対する流体供給制御の流れを示すフローチャ
ートである。本実施例においては、燃料電池に対する流
体の供給がこのフローチャートにしたがって制御され、
電池が動作を停止した後でも単セル間の面圧が保持され
るようにされている。ここで、停止時に面圧を確保する
のは、スタックへの押付力が０になったり加えられたり
されることにより該スタック各構成材料に応力が加わる
のを極力抑制するためであり、また、スタック内に燃料
ガス及び酸化ガスが残存した場合にその混合を防ぐため
である。

【００４４】このフローにおいては、データ取り込みが
行われた後（Ｓ１０１）、電池の電力供給が完全に停止
したか否かが確認される（Ｓ１０２）。そして、電池の
完全停止が確認された場合には、スタックの温度が所定
値以下であるか否かが判断される（Ｓ１０３）。この場
合において、スタック温度の確認は、圧力室２６に設け
られた温度センサ４０によって行われる（図１、図３、
図５）。実施例においては、所定の温度として、室温よ
り５℃高い温度が設定されている。従って、スタックの
温度が室温より５℃高い温度にまで下がったときには制
御バルブ６７が閉じられ（Ｓ１０４）、パージガスの供
給が停止される。そして、このような状態では圧力室２
６の加圧状態が保持されるため、電池が停止した状態で
も単セル間の面圧が保持される。このようにして、本実
施例に係る燃料電池においては、電池の完全停止が確認
された上で温度が十分に低下したか否かが確認されるた
め、温度低下による気体体積の減少に伴う面圧の低下が
防げる。

【００４５】なお、実施例においては、電池の電力供給
が完全に停止していない場合（Ｓ１０２）、あるいはス
タックの温度が所定値以上である場合（Ｓ１０３）に
は、制御バルブ６７の開状態が維持され（Ｓ１０５）、
電力供給が完全に停止され、スタックの温度が所定値に
まで下がるのを待つ。

【００４６】以上説明したように、本実施例に係る燃料
電池においては、圧力室に流体を加圧供給することによ
り、押圧板に押圧力を生じさせ、単セル間に所望の面圧
を付与することができる。なお、本実施例においては、
圧力室に圧入される流体としてパージガスを用いている
が、これはパージガスに限られるものでなく、例えば酸
化ガスもしくは燃料ガス等の原料ガスを用いてもよい。
また、圧力流体は、これらのパージガスあるいは原料ガ
スに限られるものではなく、他の気体あるいは液体を用
いることもできる。スタック容器の形状は、押圧板が摺
動移動できるものであればいかなる形状のものを採用し
てもよい。ただし、パージガスを用いた場合には、パー
ジガスと加圧用のガスが兼用されることとなるため、部
品点数を減少させることができるという有利な効果を有
する。

【００４７】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池においては、スタ
ック容器内壁と当該スタック容器内部を摺動移動する押
圧板とで構成される圧力室に流体を供給し、押圧板によ
り単セル間に所定の面圧を付与するようにしたことによ
り、面圧付与に必要な部品点数を減少させることができ
る。

【００４８】また、従来のように加圧手段（チューブ状
の袋）が外部に露出せず、スタック容器内に加圧機構を
収容するようにしているため、加圧機構の損傷が防止で
き、燃料電池の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の縦断面図
である。

【図２】図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、図２
（ｂ）はその裏面図である。

【図３】第２実施例に係る燃料電池の縦断面図である。

【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。

【図５】第３実施例に係る燃料電池の構成を示す図であ
り、図５（ａ）はその縦断面図、図５（ｂ）は図５
（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

【図６】本実施例に係る燃料電池の制御機構を示す図で
ある。

【図７】本実施例に係る燃料電池の制御の流れを示すフ
ローチャートである。

【図８】単セルの一般的な構成を示す図である。

【図９】従来のスタックの構成を示す図である。

【図１０】均一な面圧を付与するための従来の燃料電池
の構成を示す図である。

【符号の説明】

２１，４１積層セル体２３，５０スタック容器２４蓋体２５押圧板２６圧力室３９弾性部材５５コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池の複数の単セルが積層された積層セ
ル体と、この積層セル体を収容するスタック容器と、このスタック容器をシリンダとして当該スタック容器内
部を摺動移動する押圧板と、前記スタック容器を蓋する蓋体と、この蓋体と前記押圧板の間に流体を加圧供給する加圧源
と、を含み、前記スタック容器の底部と前記押圧板の間に積層セル体
を配置し、前記押圧板と前記蓋体の間に加圧供給された流体の圧力
により前記押圧板で前記積層セル体の上面を押圧して前
記単セル間に所定の面圧を付与することを特徴とする燃
料電池。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記押圧板と前記積層セル体の上面の間に、流体が加圧
供給されていない状態でも前記単セル間に必要な最低限
の面圧を付与する弾性部材を備えることを特徴とする燃
料電池。