JP2003288910A

JP2003288910A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003288910A
Application number: JP2002090720A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kawahara; 竜也川原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】電解質膜を全体としての性能低下を抑制し
て、クリープによる電解質膜の絶縁破壊、クロスリーク
を防止する燃料電池を提供すること。【解決手段】（１）固体高分子型燃料電池のセパレー
タ１８のＭＥＡ押圧部のＭＥＡ押圧面の一部を絶縁材２
９から構成した燃料電池。（２）ＭＥＡの両側にセパレ
ータが配置されている固体高分子電解質型燃料電池であ
って、ＭＥＡの両側のセパレータ間に、ＭＥＡを貫通し
ＭＥＡの両側のセパレータを支持する絶縁材２９を設け
た燃料電池。（３）絶縁材２９はセパレータ凸部の先端
に形成され、セル組み付け状態でＭＥＡ内に入り込む
（４）絶縁材２９にはＭＥＡとの接触面に触媒３０が設
けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、とくに
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電
解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソー
ド、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥ
Ａ：Membrane-Electrode Assembly ）と、ＭＥＡの両側
に配置された拡散層と、アノード、カソードに燃料ガス
（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給す
るためのガス流路および燃料電池を冷却する冷媒（通常
は冷却水）を流すための冷媒流路を形成したセパレータ
とからセルを構成し、１以上のセルを重ねてモジュール
を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル
積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレ
ータ、エンドプレートを配置しセル積層方向に締め付
け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材
（たとえば、テンションプレート、テンションボルトな
ど）にて固定してスタックとしたものからなる。固体高
分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水
素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素
イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側
では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノ
ードで生成した電子がセパレータを通してくる、両端セ
ルでは一端のセルのアノードの電子が外部回路を通って
他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が
行われる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂ＯＭＥＡとその両側の拡散層は、ＭＥＡの両側に配置され
たセパレータの凸部（畝状凸部、柱状凸部等）により挟
持され、スタック締結荷重がかかって押圧されている。
そのため、電解質膜のセパレータ凸部によって挟持され
た部分は、スタック組立時は所定厚さあったものの、ク
リープにより時間の経過とともに厚さが減少して遂には
短絡（絶縁破壊）が起こり、クロスリーク（エア、水素
の一方が他方にリーク）が生じて、膜にダメージを与え
るおそれがある。特開平１１−１３５１３５号公報は、
クリープによる、燃料電池の電解質膜の絶縁破壊、クロ
スリークを防止するために、電解質膜中に非導電性の粒
子を含有させておくものを開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の絶縁破
壊、クロスリーク防止対策では、電解質膜の全体に非導
電性の材料を含有させるため、電解質膜本来の性能が低
下するおそれがある。特に、短絡の可能性があるのはセ
パレータの凸部で挟持されている部分であるにもかかわ
らず、均一に非導電性の材料が膜中に分散されており、
膜全体の性能が均一に低下してしまう。また、電解質膜
に非導電性の材料を含有させても、電解質膜のセパレー
タの凸部で挟持されている部分のクリープは進行するの
で、絶縁破壊、クロスリークの本質的な防止対策にはな
らない。本発明の目的は、電解質膜を全体としての性能
低下を抑制して、クリープによる電解質膜の絶縁破壊、
クロスリークを防止する燃料電池を提供することにあ
る。本発明の目的は、上記目的に加え、電解質膜のクリ
ープの進行を阻止して、クリープによる電解質膜の絶縁
破壊、クロスリークを防止する燃料電池を提供すること
にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）固体高分子型燃料電池のセパレータのＭＥＡ押
圧部のＭＥＡ押圧面の一部を絶縁材から構成した燃料電
池。（２）ＭＥＡの両側にセパレータが配置されている固
体高分子電解質型燃料電池であって、ＭＥＡの両側のセ
パレータ間に、ＭＥＡを貫通しＭＥＡの両側のセパレー
タを支持する絶縁材を設けた燃料電池。（３）前記絶縁材はセパレータ凸部の先端に形成さ
れ、セル組み付け状態でＭＥＡ内に入り込む（１）また
は（２）記載の燃料電池。（４）前記絶縁材にはＭＥＡとの接触面に触媒が設け
られる（１）または（２）または（３）記載の燃料電
池。

【０００５】上記（１）の燃料電池では、絶縁材が電解
質膜のうちセパレータのＭＥＡ押圧部のＭＥＡ押圧面の
一部に対応する部分のみに存在するため、電解質膜全体
としての性能低下を抑制できる。上記（２）の燃料電池
では、絶縁材がＭＥＡを貫通してＭＥＡ両側のセパレー
タを支持するので、ＭＥＡが絶縁材の高さより小の厚さ
にクリープすることはない。また、絶縁材を設けた部分
以外は電解質膜は従来通りのままであるので、電解質膜
中の全域に非導電性粒子を混入した場合のような電解質
膜全体としての性能低下を抑制できる。上記（３）の燃
料電池では、絶縁材はセパレータ凸部の先端に形成さ
れ、セル組み付け状態でＭＥＡ内に入り込むため、絶縁
材をセパレータ凸部対応部に容易に位置させることがで
き、かつ絶縁材の高さを予め所定高さに容易に設定して
おくことができる。上記（４）の燃料電池では、絶縁材
にはＭＥＡとの接触面に触媒が設けられるので、絶縁材
貫通部における絶縁材とＭＥＡとの接触面を通しての水
素のエア側への微小リークが起ころうとしても、絶縁材
外周面の触媒により水素は徐々に触媒燃焼されるので、
クロスリークや膜へのダメージは無視できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を、図
１〜図４を参照して、説明する。本発明の燃料電池は、
固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０
は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自
動車以外に用いられてもよい。

【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図
３、図４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥ
Ａ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８
とを重ねたセルからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜から
なる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置さ
れた触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）
および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５から
なる電極１７（カソード、空気極）とからなる。ＭＥＡ
とセパレータ１８との間には、アノード側に拡散層１
３、カソード側に拡散層１６が、それぞれ配置される。
セパレータ１８には、電極１４、１７に燃料ガス（水
素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するた
めの流体通路２７、および燃料電池冷却用の冷却水が流
れる冷却水流路２６が形成される。セルを少なくとも１
層積層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セル
から１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層し
てセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、
ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート
２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付けセ
ル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４
（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）
とボルト２５またはナットで固定してスタック２３を構
成する。ＭＥＡにはセル積層体の締め付け荷重がかか
る。

【０００８】電解質膜１１は、高分子（たとえば、デュ
ポン社製の商品名ナフィオン）からなり、導電性をもた
ないが、水素イオン（プロトン）透過性をもつ。触媒層
１２、１５は、触媒たとえば白金（Ｐｔ）と、カーボン
（Ｃ）と、電解質を含む。拡散層１３、１６はガス透過
性を有しカーボン（Ｃ）からなる。セパレータ１８は、
ガス、水不透過性で、導電性を有する。セパレータ１８
は、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）、また
は金属（メタル）、または導電性樹脂、の何れかからな
る。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガス
と冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを隔てるととも
に、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れ
る電気の通路を形成している。

【０００９】セパレータ１８は、燃料電池の発電面にガ
スを供給するガス流路２７の側部に盛り上がった凸部２
８を有しており、凸部２８の頂面（盛り上がりの頂面）
で拡散層１３、１６に接触している。凸部２８の頂面と
拡散層１３、１６との接触面を通してセパレータ１８と
拡散層１３、１６間に電子が通る。セパレータ１８は凸
部２８でＭＥＡおよび拡散層１３、１６に、スタック２
３の締結力で決まる適切な押し付け力で、押し付けられ
ており、接触電気抵抗が小さくなっている。凸部２８
は、ガス流れ方向に連続していてもよいし、あるいは図
示を省略するがガス流れ方向に複数個に分割されていて
もよいし、あるいは図示を省略するがガス流れ方向と凸
部の幅方向の両方向に複数個に分割されていてもよい。
ＭＥＡおよび拡散層の、セパレータ凸部２８から荷重が
かかっている部分は、従来、クリープを起こしていた部
分である。また、拡散層１３、１６のうちセパレータ１
８の凸部２８で押されている部分へのガスの回り込み
は、凸部２８によって押されていないガス流路２７の部
分よりも悪くなる。

【００１０】セパレータ１８は、発電面（電極がある部
位）にガスを供給するガス流路２７を有している。凸部
２８間の空間部は燃料ガスまたは酸化ガスのガス流路２
７である。ＭＥＡの一側のセパレータ１８には、発電面
に燃料ガスを供給する燃料ガス流路２７ａが形成されて
おり、ＭＥＡの他側のセパレータ１８には、発電面に酸
化ガスを供給する酸化ガス流路２７ｂが形成されてい
る。また、冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセ
ル毎に、設けられる。たとえば、図２の例では、２セル
で１モジュールを構成しており、冷却水流路２６が、モ
ジュール毎（２セル毎）に設けられている。

【００１１】ＭＥＡおよび拡散層１３、１６の、セパレ
ータ凸部２８によって押圧されている部分のクリープ
（経時的な厚さ減少）を抑制するために、本発明では、
セパレータ１８のＭＥＡ押圧部のＭＥＡ押圧面の一部
が、ＭＥＡ押圧面から突出する絶縁材（電気絶縁材）２
９から構成されている。絶縁材２９はセラミックまたは
樹脂からなる。さらに詳しくは、ＭＥＡの両側のセパレ
ータ１８間に、ＭＥＡおよび拡散層１３、１６を貫通し
ＭＥＡの両側のセパレータ１８を、両側セパレータ間の
間隔が一定であるように、支持する絶縁材２９が設けら
れている。絶縁材２９は絶縁支持体と呼んでもよい。こ
の絶縁材２９は、ＭＥＡの両側にあるセパレータ１８の
凸部２８間にあり、絶縁材２９のセル積層方向（膜厚方
向）の高さはスタック２３組立時締結状態の、ＭＥＡお
よび拡散層１３、１６の初期の（まだクリープを起こす
前の）厚さと等しくしてある。

【００１２】絶縁材２９はセパレータ１８の凸部２８の
先端位置に配置され、セパレータ１８形成時にセパレー
タ１８に一体に形成されることが望ましい。その場合
は、絶縁材２９は、セル組み付け時にセル組み付け状態
でＭＥＡ内に入り込みＭＥＡを貫通する。ただし、絶縁
材２９をＭＥＡ側に埋め込んでＭＥＡを成形してもよ
い。絶縁材２９の端部の面積はセパレータ１８の凸部２
８の先端の面積より小であり、絶縁材２９の端部はセパ
レータ１８の凸部２８の先端によって覆われ、絶縁材２
９の端部がガス流路に直接露出することはない。

【００１３】絶縁材２９にはＭＥＡとの接触面（絶縁材
２９の外周面）に触媒３０（たとえば、Ｐｔ、ただしＰ
ｔに限るものではない）が設けられる。この触媒３０は
酸化触媒であり、水素が絶縁材２９とＭＥＡとの接触面
の微小隙間を通ってエア側に抜けようとする時に、絶縁
材２９の外周面部位で水素を触媒燃焼させて水にするこ
とにより、水素が溜まってエアに触れて急激に発熱燃焼
して膜にダメージを与えることを防止するためのもので
ある。この触媒３０を通してＭＥＡの両側のセパレータ
間に電流が流れないように、触媒３０は絶縁材２９の外
周面に非連続的（まばら）に設けられる。

【００１４】つぎに、本発明の作用を説明する。上記燃
料電池では、絶縁材２９は電解質膜１１のうちセパレー
タ凸部２８による押圧部のみに存在し、従来のように電
解質膜１１の全域に均一に粒子の形で分散されているも
のではない。絶縁材２９はセラミックまたは樹脂からな
るため、もしも電解質膜１１に均一に粒子の形で分散さ
れていると電解質膜のプロトン透過性を低下させるが、
電解質膜１１のうちセパレータ凸部２８による押圧部の
みに存在するので、電解質膜全体としての性能低下を惹
起することはない。

【００１５】絶縁材２９はＭＥＡを貫通してＭＥＡ両側
のセパレータ１８を支持するので、ＭＥＡおよび拡散層
が絶縁材２９の高さより小の厚さにクリープすることは
ない。図２は従来燃料電池（従来ＦＣ）と本発明の燃料
電池（本発明ＦＣ）との放電時間の経過に伴うクロスリ
ーク量の変化の傾向を示している。図２に示すように、
従来燃料電池では、時間の経過とともにＭＥＡのクリー
プ量が増え、ＭＥＡ両側セパレータの短絡とそれによる
クロスリークが増えていくが、本発明燃料電池では、絶
縁材２９の高さより小になることはないので、時間の経
過とともにＭＥＡのクリープ量、クロスリーク量が増え
ることはなく、初期のクロスリーク量のままである。た
だし、従来燃料電池にも本発明燃料電池にも水素のエア
側への膜を通しての極微小の自然透過量は存在し、絶縁
材２９が膜１１を貫通している分だけ本発明燃料電池の
自然透過量の方が従来燃料電池の自然透過量より若干大
きい（図２で放電時間が０の時に本発明燃料電池の自然
透過量の方が従来燃料電池の自然透過量より上にあるこ
とからわかる）が、耐久的には本発明燃料電池の方がク
ロスリークは少なく、耐久性が高い。

【００１６】また、絶縁材２９がセパレータ凸部２８の
先端に形成され、セル組み付け状態でＭＥＡ内に入り込
むため、絶縁材２９をセパレータ凸部対応部に容易に位
置させることができ、かつ絶縁材２９の高さを予め所定
高さに設定することが容易になる。

【００１７】また、絶縁材２９にはＭＥＡとの接触面に
触媒３０が設けられた場合（ただし、触媒３０を設ける
ことは必須ではない）は、絶縁材貫通部における絶縁材
２９とＭＥＡとの接触面を通しての水素のエア側への微
小リークが起ころうとしても、絶縁材２９の外周面の触
媒３０により水素は徐々に触媒燃焼されるので、クロス
リークや膜へのダメージは無視できる。触媒燃焼によっ
て水素は水に変わるが、これによって生成した水は電解
質膜１１を湿潤するのに役立つ。

【００１８】

【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、絶縁材が
電解質膜のうちセパレータのＭＥＡ押圧部のＭＥＡ押圧
面の一部に対応する部分のみに存在するため、電解質膜
全体としての性能低下を抑制できる。請求項２の燃料電
池によれば、絶縁材がＭＥＡを貫通してＭＥＡ両側のセ
パレータを支持するので、ＭＥＡが絶縁材の高さより小
の厚さにクリープすることはない。また、絶縁材を設け
た部分以外は電解質膜は従来通りのままであるので、電
解質膜中の全域に非導電性粒子を混入した場合のような
電解質膜全体としての性能低下を抑制できる。請求項３
の燃料電池によれば、絶縁材がセパレータ凸部の先端に
形成され、セル組み付け状態でＭＥＡ内に入り込むた
め、絶縁材をセパレータ凸部対応部に容易に位置させる
ことができ、かつ絶縁材の高さを予め所定高さに容易に
設定することができる。請求項４の燃料電池によれば、
絶縁材にはＭＥＡとの接触面に触媒が設けられるので、
絶縁材貫通部における絶縁材とＭＥＡとの接触面を通し
ての水素のエア側への微小リークが起ころうとしても、
絶縁材外周面の触媒により水素は徐々に触媒燃焼される
ので、クロスリークや膜へのダメージを無視できる程度
に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の絶縁材とその近傍の断面図
である。

【図２】本発明燃料電池と従来電池の、クロスリーク量
対放電時間のグラフである。

【図３】本発明の燃料電池の側面図である。

【図４】図３の燃料電池のモジュールの端部とその近傍
の断面図である。

【符号の説明】

１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード）１８セパレータ１９モジュール２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４締結部材（テンションプレート）２５ボルトまたはナット２６冷却水流路２７ガス流路（発電部のガス流路）２７ａ燃料ガス流路２７ｂ酸化ガス流路２８凸部２９絶縁材（絶縁支持体）３０触媒（触媒燃焼用の酸化触媒）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子型燃料電池のセパレータのＭ
ＥＡ押圧部のＭＥＡ押圧面の一部を絶縁材から構成した
燃料電池。
【請求項２】ＭＥＡの両側にセパレータが配置されて
いる固体高分子電解質型燃料電池であって、ＭＥＡの両
側のセパレータ間に、ＭＥＡを貫通しＭＥＡの両側のセ
パレータを支持する絶縁材を設けた燃料電池。
【請求項３】前記絶縁材はセパレータ凸部の先端に形
成され、セル組み付け状態でＭＥＡ内に入り込む請求項
１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】前記絶縁材にはＭＥＡとの接触面に触媒
が設けられる請求項１または請求項２または請求項３記
載の燃料電池。