JP2004039385A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極を構成する多孔質カーボン部材のへたり等を有効に阻止し、簡単な構成で、所望のシール性を確保することを可能にする。
【解決手段】電解質膜・電極接合体１２が第１および第２セパレータ１４、１６に挟持されるとともに、前記電解質膜・電極接合体１２は、固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８を構成するガス拡散層４２ａは、カソード側電極４０を構成するガス拡散層４２ｂよりも大きい表面積を有し、前記ガス拡散層４２ａの外周縁部４５には、第２シール４７ｂの当接面に対応して予め所定のプレス荷重が付与されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極接合体が、一組のセパレータで挟持される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
一般的に、燃料電池は、図７に示すように、電解質膜・電極接合体１と、この電解質膜・電極接合体１を挟持する第１および第２セパレータ２、３とを備えている。電解質膜・電極接合体１は、例えば、固体高分子電解質膜４と、この固体高分子電解質膜４を挟持するアノード側電極５およびカソード側電極６とを備えている。そして、固体高分子電解質膜４と第１および第２セパレータ２、３との間にＯリング７ａ、７ｂが挟持されており、アノード側電極５およびカソード側電極６にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部に洩れることを防止している。
【０００５】
ところが、上記の従来技術では、固体高分子電解質膜４を挟んで互いに対向して配置されているＯリング７ａ、７ｂの相対位置が僅かでもずれると、所望のシール性を得ることができず、燃料ガスや酸化剤ガスの漏れが惹起されるおそれがある。しかも、Ｏリング７ａ、７ｂにずれが生じると、固体高分子電解質膜４に捩れが起こり、前記固体高分子電解質膜４とアノード側電極５およびカソード側電極６との間に剥離が生じる場合がある。
【０００６】
そこで、本出願人は、電解質膜・電極接合体とセパレータとのシール性を向上させることが可能な燃料電池を提案している（特開２００２−２５５８７号公報参照）。この燃料電池は、図８に示すように、電解質膜・電極接合体１ａと、第１および第２セパレータ２ａ、３ａとを備えている。電解質膜・電極接合体１ａは、固体高分子電解質膜４ａと、この固体高分子電解質膜４ａを挟持するアノード側電極５ａおよびカソード側電極６ａとを備えており、前記アノード側電極５ａが前記カソード側電極６ａよりも大きな表面積に設定されている。
【０００７】
第２セパレータ３ａの内面側には、カソード側電極６ａを囲むようにして固体高分子電解質膜４ａに密接し、第１シール８ａが取り付けられている。さらに、第１および第２セパレータ２ａ、３ａ間には、第１シール８ａを囲むようにして第２シール８ｂが取り付けられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように、アノード側電極５ａの表面積がカソード側電極６ａの表面積よりも大きく設定されるとともに、第１シール８ａが第２セパレータ３ａと固体高分子電解質膜４ａとの間に介装されるため、前記アノード側電極５ａの外周端縁部には、前記第１シール８ａによる加圧部位９が発生している。
【０００９】
この加圧部位９には、燃料電池の締め付け荷重により第１シール８ａのシール荷重が直接作用しており、アノード側電極５ａを構成するカーボンペーパーにへたり等が発生し易い。これにより、アノード側電極５ａが圧縮変形してしまい、第１シール８ａによるシール効果が低下するおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電極を構成する多孔質カーボン部材のへたりを有効に阻止し、簡単な構成で、所望のシール性を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極接合体が、一組のセパレータで挟持されるとともに、前記電極は、前記電解質に対向する面に電極触媒層を設けた多孔質カーボン部材を備えている。そして、一方の多孔質カーボン部材は、他方の多孔質カーボン部材よりも大きな表面積を有し、前記他方の多孔質カーボン部材の外周部から外方に突出する前記一方の多孔質カーボン部材の外周縁部とセパレータとの間にシールが介装されている。
【００１２】
そこで、一方の多孔質カーボン部材の外周縁部には、シールの当接面に対応して予め圧縮処理が施されている。このため、多孔質カーボン部材は、簡単な作業で、面圧強度が大幅に向上しており、燃料電池に圧縮荷重が付与される際に、シール荷重によって圧縮変形を惹起することがない。従って、燃料電池のシール性が有効に向上するとともに、多孔質カーボン部材にへたり等が発生することがなく、所望のシール機能を確実に維持することが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。
【００１４】
燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体１２が、例えば、金属板材で形成された第１および第２セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１５】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１６】
電解質膜・電極接合体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００１７】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図２に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層（多孔質カーボン部材）４２ａ、４２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００１８】
アノード側電極３８は、カソード側電極４０よりも大きな表面積を有している。アノード側電極３８を構成するガス拡散層４２ａは、カソード側電極４０を構成するガス拡散層４２ｂの外周部から外方に距離Ｈだけ突出する外周縁部４５を設ける。この外周縁部４５には、第２シール４７ｂの当接面に対応して、後述するように、予めプレス荷重が付与されて圧縮処理が施されている。
【００１９】
ガス拡散層（多孔質カーボン部材）４２ａ、４２ｂとしては、例えば、東レ株式会社製のＴＧＰ−Ｈが使用されており、密度が０．３５ｇ／ｃｍ^２〜０．６５ｇ／ｃｍ^２で、気体透過度が２０ｍｍＡｇ／ｍｍ〜３０ｍｍＡｇ／ｍｍである。
【００２０】
第１および第２セパレータ１４、１６の間には、Ｏリング等の第１シール４７ａが介装されるとともに、前記第１セパレータ１４の面１４ａと固体高分子電解質膜３６との間には、カソード側電極４０を周回してＯリング等の第２シール４７ｂが介装される。
【００２１】
図１に示すように、第１セパレータ１４の電解質膜・電極接合体１２側の面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００２２】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極接合体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。
【００２３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２４】
まず、図３に示すように、プレス機６０を介してガス拡散層４２ａ、４２ｂの外周縁部４５に予めプレス荷重の付与が行われる。このプレス機６０は、固定型である下型６２と可動型である上型６４とを備えており、この上型６４は、ガス拡散層４２ａ、４２ｂの外周縁部４５に係合するように、枠形状に構成されている。
【００２５】
そこで、下型６２のプレス面６２ａにガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）が載置された状態で、前記上型６４が下降する。このため、プレス面６２ａ上のガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）は、外周縁部４５に対し上型６４と下型６２を介して所定のプレス荷重が付与される（図４中、ステップＳ１）。
【００２６】
このプレス荷重は、燃料電池１０の発電時に付与される面圧以上の面圧を付与するために、前記燃料電池１０に付与される圧縮荷重より５％以上高い荷重に設定される。具体的には、プレス機６０によりガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）に対して４ＭＰａ〜８ＭＰａ程度のプレス荷重が付与されている。
【００２７】
次いで、プレス機６０を構成する上型６４が上昇して、ガス拡散層４２ａ（
または４２ｂ）からプレス荷重が除去された際、前記プレス荷重の付与前後における前記ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の厚さ変動量が検出される（ステップＳ２）。この場合、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）のプレス荷重付与時の厚さからプレス荷重除去時の厚さ変動量が所定の範囲内に至っていない際には（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻ってプレス機６０によるプレス荷重付与作業が再度行われる。
【００２８】
一方、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の厚さ変動量が、所定の範囲内であれば（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、燃料電池１０の組み立て作業が行われる。さらに、燃料電池１０は、必要に応じて複数積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックには、図示しないタイロッドを介して積層方向に所定の圧縮荷重が付与され（ステップＳ５）、前記燃料電池スタックの組み立て作業が終了する。
【００２９】
ここで、プレス荷重を６ＭＰａとし、厚さ変動量の許容範囲を５μｍに設定したところ、図５に示す結果が得られた。すなわち、プレス機６０を介してプレス荷重を１回付与した際には、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の変動量が５μｍを僅かに超えていた。そこで、このガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）に２回以上のプレス荷重を付与したところ、変動量が５μｍ以内となった。従って、プレス荷重の付与を２回以上行うことにより、所望の面圧強度（例えば、６．５ＭＰａ）を有するガス拡散層４２ａ、４２ｂが確実に得られた。
【００３０】
なお、プレス荷重を付与しないガス拡散層４２ａ、４２ｂを用いて燃料電池１０を組み立てると、このガス拡散層４２ａ、４２ｂの厚さ変動量が３０μｍ以上であった。このため、燃料電池１０を組み立てた後に圧縮荷重の付与により、第２シール４７ｂのシール荷重を介してガス拡散層４２ａ、４２ｂが圧縮変形し、所望のシール性を確保することができなかった。
【００３１】
これに対して、第１の実施形態では、予めガス拡散層４２ａ、４２ｂの外周縁部４５に、第２シール４７ｂの当接面に対応してプレス荷重が付与されており、前記外周縁部４５の面圧強度が大幅に向上している。従って、図２に示すように、ガス拡散層４２ａ、４２ｂの外周縁部４５は、燃料電池１０に圧縮荷重が付与された状態で、第２シール４７ｂによるシール荷重に対する厚さ変動量が所定の範囲内に維持される。
【００３２】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池１０のシール性が有効に向上するとともに、ガス拡散層４２ａ、４２ｂの外周縁部４５にへたり等が惹起されることがなく、所望のシール機能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３３】
ところで、燃料電池１０を運転するに際しては、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３４】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極接合体１２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極接合体１２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３５】
従って、各電解質膜・電極接合体１２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３６】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３７】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３８】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
燃料電池８０は、電解質膜・電極接合体１２と、金属板材で形成された第１および第２セパレータ８２、１６とを備える。第１セパレータ８２には、固体高分子電解質膜３６に当接する第２シール８４が焼き付け等によって一体的に設けられている。
【００４０】
このように構成される第２の実施形態では、第２シール８４が第１セパレータ８２に設けられているため、燃料電池８０全体としての部品数が削減されるとともに、この燃料電池８０の組み立て作業性が一層容易かつ迅速に遂行されるという効果が得られる。
【００４１】
なお、第１および第２の実施形態では、Ｏリング等の第１シール４７ａを用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、ガスケット等の他のシール構造を採用してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、一方の多孔質カーボン部材が、他方の多孔質カーボン部材よりも大きな表面積を有するとともに、前記一方の多孔質カーボン部材の外周縁部には、シールの当接面に対応して予め圧縮処理が施されているため、前記外周縁部は、簡単な作業で、面圧強度が大幅に向上している。これにより、燃料電池に圧縮荷重が付与される際に、シール荷重によって多孔質カーボン部材に圧縮変形が惹起されることがなく、燃料電池のシール性が有効に向上するとともに、多孔質カーボン部材にへたり等が発生することがなく、所望のシール機能を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するガス拡散層の外周縁部にプレス荷重を付与するプレス機の使用説明図である。
【図４】前記燃料電池の組み立て作業を説明するフロチャートである。
【図５】前記ガス拡散層に対するプレス荷重の有無および付与回数と厚さ変動量との関係説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図８】別の従来技術に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池　　　　　１２…電解質膜・電極接合体
１４、１６、８２…セパレータ　３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔　３２ａ…冷却媒体供給連通孔
３２ｂ…冷却媒体排出連通孔　　３４ａ…燃料ガス供給連通孔
３４ｂ…燃料ガス排出連通孔　　３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極　　　　　４０…カソード側電極
４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層　　４４ａ、４４ｂ…電極触媒層
４５…外周縁部　　　　　　　　４７ａ、４７ｂ、８４…シール
４６…酸化剤ガス流路　　　　　４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路　　　　　　６０…プレス機
６２…下型　　　　　　　　　　６４…上型

Claims (1)

1. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極接合体が、一組のセパレータで挟持されるとともに、
   前記電極は、前記電解質に対向する面に電極触媒層を設けた多孔質カーボン部材を備え、
   一方の多孔質カーボン部材は、他方の多孔質カーボン部材よりも大きな表面積を有し、前記他方の多孔質カーボン部材の外周部から外方に突出する前記一方の多孔質カーボン部材の外周縁部と前記セパレータとの間にシールが介装される燃料電池であって、
   前記一方の多孔質カーボン部材の前記外周縁部には、前記シールの当接面に対応して予め圧縮処理が施されていることを特徴とする燃料電池。

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