燃料電池スタック
【課題】ガス拡散層の破損を防止する。
【解決手段】燃料電池スタックは、固体電解質膜１２を一対の電極１４で挟持すると共に、この一対の電極１４の外側にそれぞれガス拡散層１６を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体をセパレータ１８を介して複数積層して形成される。そして、ガス拡散層１６と、セパレータ１８の間に両者間の摩擦を低減する摩擦低減手段を設ける。
【解決手段】燃料電池スタックは、固体電解質膜１２を一対の電極１４で挟持すると共に、この一対の電極１４の外側にそれぞれガス拡散層１６を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体をセパレータ１８を介して複数積層して形成される。そして、ガス拡散層１６と、セパレータ１８の間に両者間の摩擦を低減する摩擦低減手段を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持すると共に、この一対の電極の外側にそれぞれガス拡散層を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体を、セパレータを介して複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、１セルで得られる電圧が０．７Ｖ程度である。動力用のモータを駆動する場合には、大きな電力を必要とし、例えば電気自動車においては２００Ｖ〜３００Ｖまたはそれ以上の電源電圧を必要とする。このため、燃料電池は、所定数（例えば、数１０個）積層された燃料電池スタックとして構成され、この燃料電池スタックを適宜個数利用して電源が構成される。
【０００３】
ここで、燃料電池スタックに大きな力が掛かる場合が想定される。例えば、車両に搭載された燃料電池スタックでは、車両の衝突時において非常に大きな力が掛かる場合がある。このような場合に、燃料電池スタックの各セルについて互いにずれる方向に力が掛かると、各セル内に積層面に平行な方向のせん断力が加わる場合がある。
【０００４】
ここで、燃料電池セルは、通常固体高分子電解膜の両面に電極層、ガス拡散層を設け、これらをセパレータで挟持して構成される。セパレータは、通常金属で構成され強度が強いため、隣接する２つのセパレータの位置がずれると、その間に配置される各層にせん断力が掛かる。ガス拡散層は、カーボン繊維などの多孔質の基材などで形成され、他の層と比べると厚いため、ガス拡散層が破損しやすい。そして、ガス拡散層が破損すると、ガスがリークしたり、短絡が発生したりして、燃料電池の運転が継続できなくなる場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７７０１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、ガス拡散層を多層体として形成し、ガス拡散層内において、ずれを許容することで、ガス拡散層の破損を防止している。しかし、ガス拡散層の破損をさらに確実に防止したという要求がある。また、特許文献１では、ガス拡散層内において、ずれを許容するため、ガス拡散性、水流動性が悪化し、電気抵抗が増大しやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持すると共に、この一対の電極の外側にそれぞれガス拡散層を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体を、セパレータを介して複数積層して形成された燃料電池スタックであって、前記ガス拡散層と、前記セパレータの間に両者間の摩擦を低減する摩擦低減手段を有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記摩擦低減手段は、両者の間にボールを介在させるベアリング構造を有することが好適である。
【発明の効果】
【０００９】
燃料電池スタックに大きな力が掛かったときに、ガス拡散層と、セパレータの界面において、すべりが発生するため、ガス拡散層が破壊することを防止することができる。また、電解質膜・電極・ガス拡散層構造体は、内部にずれなどを発生せずに保持されるので、電気抵抗が増大することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の構成を示す要部概略断面図である。
【図２】ボールベアリングの構成を示す模式図である。
【図３】ボールをガス拡散層に埋め込んだ状態を示す模式図である。
【図４】他の実施形態の構成を示す要部概略断面図である。
【図５】さらに他の実施形態の構成を示す要部概略断面図である。
【図６】燃料電池スタックに力が掛かったときの状態を示す図である。
【図７】ガス拡散層が破損する状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係る燃料電池スタックの要部の断面説明図である。図においては、２つのセパレータで挟まれた１セル分を示してある。
【００１３】
固体電解質膜１２の両側には、電極１４が配置され、この電極１４の両側にガス拡散層１６が配置されている。そして、このガス拡散層１６の外側をセパレータ１８で挟んでいる。また、固体電解質膜１２は、電極１４、ガス拡散層１６よりも大きく、周辺まで伸び、この周辺部がセパレータ１８にシール材２０で接着されている。
【００１４】
固体電解質膜１２、電極１４、ガス拡散層１６は、一体的に接合されて、１枚の板状の電解質・電極・ガス拡散層接合体を形成しており、この接合体と、同じく板状のセパレータ１８を交互に配置することで多数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックが構成される。なお、燃料電池スタックの最外部には、一対のエンドプレートが配置され、この一対のエンドプレートをボルト締めすることで、スタック全体を固定している。また、スタックの周辺部には、マニホールドが形成され、燃料ガスや、酸化ガスを各セルに供給するガス通路となっている。
【００１５】
固体電解質膜１２は、固体高分子物質からなるイオン交換膜である。固体電解質膜１２を挟んで形成される電極１４は、触媒担持カーボンなどから構成され、燃料ガス（通常水素ガス）が供給される側が燃料極、酸化ガス（通常空気）他方が酸素極として機能する。ガス拡散層１６は、カーボン繊維をクロス、ペーパー、フェルト状に形成したものが用いられ、内部にガスが拡散流通され、電極１４の全体にガスを供給している。セパレータ１８は、例えばステンレスなどの金属から構成され、燃料ガス、酸化ガスの供給排出通路を提供すると共に、隔壁として機能する。また、シール材２０には、エポキシ樹脂などの樹脂が用いられ、これによってセルの周囲が密閉される。
【００１６】
そして、各セルにおいて、燃料ガスの酸化反応が起こり、これによって生じた電力が両端から取り出される。
【００１７】
ここで、本実施形態においては、セパレータ１８に、図２に示すように溝２２が形成されている。この溝２２は、セパレータ１８の表面部において、幅方向全体に伸びるように形成されており、この溝２２内に多数のボール２４が挿入されている。ボール２４は、その一部が溝２２から突出しており、従ってボールベアリングとして機能する。溝２２は、横から見た場合に、ほぼ円形であるが、全面側が一部欠けており、ここからボール２４が突出している。従って、ボール２４は、溝２２から前側に抜けることはない。ボール２４は、横方向から溝２２内に挿入され、その後溝の幅方向両端を閉じることが好適である。これによって、スタック組み付け時において、ボール２４はセパレータ１８に保持されており、問題が生じない。なお、ボール２４は、カーボンで構成するのが好適であるが、ステンレスなど腐食しない金属で形成してもよい。
【００１８】
なお、溝２２、ボール２４は、見やすくするために大きく書いてあるが、ボール２４の直径が１００〜５００μｍ程度とするのが好ましい。
【００１９】
このように、本実施形態においては、セパレータ１８と、ガス拡散層１６との界面において、ボールベアリングが形成されている。従って、両者の間の摩擦が小さくなっている。そこで、車両の衝突などの原因で、燃料電池スタックに大きな加速度が掛かったときに、セパレータ１８とガス拡散層１６との間がすべり、ガス拡散層１６に大きなせん断力が印加されることを効果的に防止することができる。従って、衝突後において、ガス漏れなどを防止することが可能となる。
【００２０】
また、ボール２４を接着剤でセパレータ１８に接着しておいてもよい。これによって、ボール２４を溝内に横方向から挿入するなどの必要が無くなり、溝２２を前面側が大きく開放したものとすることができ、作業が容易になる。また、接着剤を比較的弱い材料で形成しておけば、衝突時などにおいては、接着剤の拘束が外れることで、所期の目的を達成することが可能である。さらに、接着剤として、熱によって揮発しやすいものを採用しておけば、組み付け後に接着剤を蒸発させて、除去することができ、接着剤の拘束を解除することができる。
【００２１】
図３は、他の構成例を示してある。この例では、ガス拡散層１６にボール２４を埋め込んでいる。ガス拡散層１６は、上述のように、カーボン繊維などからなっており、多少の柔軟性を有している。そこで、ボール２４を大きな力で押しつけることでボール２４用の凹みが生じる。従って、ガス拡散層１６にボール２４を保持して、これをベアリングとして機能させることが可能となる。なお、この場合にも、ボール２４を接着剤によって、ガス拡散層１６に接着しておくことが好適であり、熱揮発性のものを利用することも好適である。
【００２２】
図４には、さらに他の構成例を示してある。この例では、ガス拡散層１６とセパレータ１８の間に摩擦低減層２６を配置している。この摩擦低減層２６には、導電性グリースや、二硫化モリブデン粉末、カーボン粉末などが利用される。
【００２３】
導電性グリースとしては、炭化水素系導電性グリースや、シリコーン系熱伝導グリースの他、パーフロロポリエーテルを導電性のフィラーでグリース化したものなどを採用することができる。二硫化モリブデン粉末や、カーボン粉末は市販のものを利用することができる。
【００２４】
このように、摩擦低減層２６を配置することで、ガス拡散層１６とセパレータ１８の間の摩擦が低減され、大きな加速度が掛かったときに、両者の界面がすべることでガス拡散層１６が破壊されるのを防止することができる。
【００２５】
図５は、さらに他の構成例を示しており、ガス拡散層１６とセパレータ１８の間にベアリングと摩擦低減層２６の両方を形成してある。すなわち、セパレータ１８には溝２２が形成され、ここにボール２４が収容されているとともに、摩擦低減層２６が形成されている。これによって、より確実なガス拡散層１６とセパレータ１８間の摩擦低減が図れ、また両層間の電気抵抗をより小さなものにすることが可能となる。
【００２６】
さらに、ガス拡散層１６とセパレータ１８の界面の摩擦低減のためには、一方の表面に離散的な凸部（表面は丸い方がよい）を設け、両層の接触面積を減少させて、摩擦を低減することもできる。
【００２７】
このような構成によって、図６に示すように、燃料電池スタック１００に対し、大きな加速度が掛かり、セル同士がずれた場合において、図７に示すようにガス拡散層１６に亀裂が入り、破損したりすることを防止することができる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、燃料電池スタックに大きな力が掛かったときに、ガス拡散層と、セパレータの界面において、すべりが発生するため、ガス拡散層が破壊することを防止することができる。また、すべりが発生するのは、ガス拡散層と、セパレータの界面であり、電解質・電極・ガス拡散層接合体自体はこていされたままで、内部にずれなどを発生せずに保持される。このため、電気抵抗が増大することを防止できる。
【符号の説明】
【００２９】
１２ 固体電解質膜、１４ 電極、１６ ガス拡散層、１８ セパレータ、２０ シール材、２２ 溝、２４ ボール、２６ 摩擦低減層、１００ 燃料電池スタック。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持すると共に、この一対の電極の外側にそれぞれガス拡散層を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体を、セパレータを介して複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、１セルで得られる電圧が０．７Ｖ程度である。動力用のモータを駆動する場合には、大きな電力を必要とし、例えば電気自動車においては２００Ｖ〜３００Ｖまたはそれ以上の電源電圧を必要とする。このため、燃料電池は、所定数（例えば、数１０個）積層された燃料電池スタックとして構成され、この燃料電池スタックを適宜個数利用して電源が構成される。
【０００３】
ここで、燃料電池スタックに大きな力が掛かる場合が想定される。例えば、車両に搭載された燃料電池スタックでは、車両の衝突時において非常に大きな力が掛かる場合がある。このような場合に、燃料電池スタックの各セルについて互いにずれる方向に力が掛かると、各セル内に積層面に平行な方向のせん断力が加わる場合がある。
【０００４】
ここで、燃料電池セルは、通常固体高分子電解膜の両面に電極層、ガス拡散層を設け、これらをセパレータで挟持して構成される。セパレータは、通常金属で構成され強度が強いため、隣接する２つのセパレータの位置がずれると、その間に配置される各層にせん断力が掛かる。ガス拡散層は、カーボン繊維などの多孔質の基材などで形成され、他の層と比べると厚いため、ガス拡散層が破損しやすい。そして、ガス拡散層が破損すると、ガスがリークしたり、短絡が発生したりして、燃料電池の運転が継続できなくなる場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７７０１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、ガス拡散層を多層体として形成し、ガス拡散層内において、ずれを許容することで、ガス拡散層の破損を防止している。しかし、ガス拡散層の破損をさらに確実に防止したという要求がある。また、特許文献１では、ガス拡散層内において、ずれを許容するため、ガス拡散性、水流動性が悪化し、電気抵抗が増大しやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持すると共に、この一対の電極の外側にそれぞれガス拡散層を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体を、セパレータを介して複数積層して形成された燃料電池スタックであって、前記ガス拡散層と、前記セパレータの間に両者間の摩擦を低減する摩擦低減手段を有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記摩擦低減手段は、両者の間にボールを介在させるベアリング構造を有することが好適である。
【発明の効果】
【０００９】
燃料電池スタックに大きな力が掛かったときに、ガス拡散層と、セパレータの界面において、すべりが発生するため、ガス拡散層が破壊することを防止することができる。また、電解質膜・電極・ガス拡散層構造体は、内部にずれなどを発生せずに保持されるので、電気抵抗が増大することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の構成を示す要部概略断面図である。
【図２】ボールベアリングの構成を示す模式図である。
【図３】ボールをガス拡散層に埋め込んだ状態を示す模式図である。
【図４】他の実施形態の構成を示す要部概略断面図である。
【図５】さらに他の実施形態の構成を示す要部概略断面図である。
【図６】燃料電池スタックに力が掛かったときの状態を示す図である。
【図７】ガス拡散層が破損する状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係る燃料電池スタックの要部の断面説明図である。図においては、２つのセパレータで挟まれた１セル分を示してある。
【００１３】
固体電解質膜１２の両側には、電極１４が配置され、この電極１４の両側にガス拡散層１６が配置されている。そして、このガス拡散層１６の外側をセパレータ１８で挟んでいる。また、固体電解質膜１２は、電極１４、ガス拡散層１６よりも大きく、周辺まで伸び、この周辺部がセパレータ１８にシール材２０で接着されている。
【００１４】
固体電解質膜１２、電極１４、ガス拡散層１６は、一体的に接合されて、１枚の板状の電解質・電極・ガス拡散層接合体を形成しており、この接合体と、同じく板状のセパレータ１８を交互に配置することで多数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックが構成される。なお、燃料電池スタックの最外部には、一対のエンドプレートが配置され、この一対のエンドプレートをボルト締めすることで、スタック全体を固定している。また、スタックの周辺部には、マニホールドが形成され、燃料ガスや、酸化ガスを各セルに供給するガス通路となっている。
【００１５】
固体電解質膜１２は、固体高分子物質からなるイオン交換膜である。固体電解質膜１２を挟んで形成される電極１４は、触媒担持カーボンなどから構成され、燃料ガス（通常水素ガス）が供給される側が燃料極、酸化ガス（通常空気）他方が酸素極として機能する。ガス拡散層１６は、カーボン繊維をクロス、ペーパー、フェルト状に形成したものが用いられ、内部にガスが拡散流通され、電極１４の全体にガスを供給している。セパレータ１８は、例えばステンレスなどの金属から構成され、燃料ガス、酸化ガスの供給排出通路を提供すると共に、隔壁として機能する。また、シール材２０には、エポキシ樹脂などの樹脂が用いられ、これによってセルの周囲が密閉される。
【００１６】
そして、各セルにおいて、燃料ガスの酸化反応が起こり、これによって生じた電力が両端から取り出される。
【００１７】
ここで、本実施形態においては、セパレータ１８に、図２に示すように溝２２が形成されている。この溝２２は、セパレータ１８の表面部において、幅方向全体に伸びるように形成されており、この溝２２内に多数のボール２４が挿入されている。ボール２４は、その一部が溝２２から突出しており、従ってボールベアリングとして機能する。溝２２は、横から見た場合に、ほぼ円形であるが、全面側が一部欠けており、ここからボール２４が突出している。従って、ボール２４は、溝２２から前側に抜けることはない。ボール２４は、横方向から溝２２内に挿入され、その後溝の幅方向両端を閉じることが好適である。これによって、スタック組み付け時において、ボール２４はセパレータ１８に保持されており、問題が生じない。なお、ボール２４は、カーボンで構成するのが好適であるが、ステンレスなど腐食しない金属で形成してもよい。
【００１８】
なお、溝２２、ボール２４は、見やすくするために大きく書いてあるが、ボール２４の直径が１００〜５００μｍ程度とするのが好ましい。
【００１９】
このように、本実施形態においては、セパレータ１８と、ガス拡散層１６との界面において、ボールベアリングが形成されている。従って、両者の間の摩擦が小さくなっている。そこで、車両の衝突などの原因で、燃料電池スタックに大きな加速度が掛かったときに、セパレータ１８とガス拡散層１６との間がすべり、ガス拡散層１６に大きなせん断力が印加されることを効果的に防止することができる。従って、衝突後において、ガス漏れなどを防止することが可能となる。
【００２０】
また、ボール２４を接着剤でセパレータ１８に接着しておいてもよい。これによって、ボール２４を溝内に横方向から挿入するなどの必要が無くなり、溝２２を前面側が大きく開放したものとすることができ、作業が容易になる。また、接着剤を比較的弱い材料で形成しておけば、衝突時などにおいては、接着剤の拘束が外れることで、所期の目的を達成することが可能である。さらに、接着剤として、熱によって揮発しやすいものを採用しておけば、組み付け後に接着剤を蒸発させて、除去することができ、接着剤の拘束を解除することができる。
【００２１】
図３は、他の構成例を示してある。この例では、ガス拡散層１６にボール２４を埋め込んでいる。ガス拡散層１６は、上述のように、カーボン繊維などからなっており、多少の柔軟性を有している。そこで、ボール２４を大きな力で押しつけることでボール２４用の凹みが生じる。従って、ガス拡散層１６にボール２４を保持して、これをベアリングとして機能させることが可能となる。なお、この場合にも、ボール２４を接着剤によって、ガス拡散層１６に接着しておくことが好適であり、熱揮発性のものを利用することも好適である。
【００２２】
図４には、さらに他の構成例を示してある。この例では、ガス拡散層１６とセパレータ１８の間に摩擦低減層２６を配置している。この摩擦低減層２６には、導電性グリースや、二硫化モリブデン粉末、カーボン粉末などが利用される。
【００２３】
導電性グリースとしては、炭化水素系導電性グリースや、シリコーン系熱伝導グリースの他、パーフロロポリエーテルを導電性のフィラーでグリース化したものなどを採用することができる。二硫化モリブデン粉末や、カーボン粉末は市販のものを利用することができる。
【００２４】
このように、摩擦低減層２６を配置することで、ガス拡散層１６とセパレータ１８の間の摩擦が低減され、大きな加速度が掛かったときに、両者の界面がすべることでガス拡散層１６が破壊されるのを防止することができる。
【００２５】
図５は、さらに他の構成例を示しており、ガス拡散層１６とセパレータ１８の間にベアリングと摩擦低減層２６の両方を形成してある。すなわち、セパレータ１８には溝２２が形成され、ここにボール２４が収容されているとともに、摩擦低減層２６が形成されている。これによって、より確実なガス拡散層１６とセパレータ１８間の摩擦低減が図れ、また両層間の電気抵抗をより小さなものにすることが可能となる。
【００２６】
さらに、ガス拡散層１６とセパレータ１８の界面の摩擦低減のためには、一方の表面に離散的な凸部（表面は丸い方がよい）を設け、両層の接触面積を減少させて、摩擦を低減することもできる。
【００２７】
このような構成によって、図６に示すように、燃料電池スタック１００に対し、大きな加速度が掛かり、セル同士がずれた場合において、図７に示すようにガス拡散層１６に亀裂が入り、破損したりすることを防止することができる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、燃料電池スタックに大きな力が掛かったときに、ガス拡散層と、セパレータの界面において、すべりが発生するため、ガス拡散層が破壊することを防止することができる。また、すべりが発生するのは、ガス拡散層と、セパレータの界面であり、電解質・電極・ガス拡散層接合体自体はこていされたままで、内部にずれなどを発生せずに保持される。このため、電気抵抗が増大することを防止できる。
【符号の説明】
【００２９】
１２ 固体電解質膜、１４ 電極、１６ ガス拡散層、１８ セパレータ、２０ シール材、２２ 溝、２４ ボール、２６ 摩擦低減層、１００ 燃料電池スタック。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜を一対の電極で挟持すると共に、この一対の電極の外側にそれぞれガス拡散層を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体を、セパレータを介して複数積層して形成された燃料電池スタックであって、
前記ガス拡散層と、前記セパレータの間に両者間の摩擦を低減する摩擦低減手段を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記摩擦低減手段は、両者の間にボールを介在させるベアリング構造を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
固体電解質膜を一対の電極で挟持すると共に、この一対の電極の外側にそれぞれガス拡散層を配置した電解質膜・電極・ガス拡散層構造体を、セパレータを介して複数積層して形成された燃料電池スタックであって、
前記ガス拡散層と、前記セパレータの間に両者間の摩擦を低減する摩擦低減手段を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記摩擦低減手段は、両者の間にボールを介在させるベアリング構造を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６４４２５（Ｐ２０１２−１６４４２５Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１５８１（Ｐ２０１１−２１５８１）
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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