JP2005108506A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】経済的且つ簡単な構成で、所望のシール機能を確保しながら、ブリッジ部に適切な反応ガス連結流路を形成することを可能にする。
【解決手段】第1金属セパレータ16と第2金属セパレータ18との間には、ブリッジ部32a、32bが設けられる。ブリッジ部32a、32bは、第1シール部材30の平坦状シール34a、34bと、前記平坦状シール34a、34bに当接する第2シール部材54の複数の凸状シール60a、60bとを備える。平坦状シール34a、34bと、複数の凸状シール60a、60bとの間には、酸化剤ガス連結流路62a、62bが形成される。
【選択図】図3

Description

本発明は、電解質膜・電極構造体を第1及び第2セパレータにより挟持する発電セルを設け、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される一方、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔を備える燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定の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。
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、電極触媒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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。
上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス(反応ガス)を流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス(反応ガス)を流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。さらに、セパレータの周縁部には、該セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する反応ガス連通孔である燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する反応ガス連通孔である酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔とが形成されている。
この場合、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路(ブリッジ部に形成された反応ガス流路)を介して連通している。ところが、セパレータと電解質膜・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入するおそれがある。これにより、所望のシール性を維持することができず、しかも連結流路が閉塞されて反応ガスが良好に流れないという問題がある。
そこで、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図7に示すように、セパレータ1の面内に蛇行する反応ガス、例えば、酸化剤ガス流路2が形成されている。この酸化剤ガス流路2は、セパレータ1の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔3と酸化剤ガス排出用貫通孔4とに連通している。セパレータ1にはパッキン5が配置されており、このセパレータ1の面内で貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。
貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通する連結流路6a、6bには、この連結流路6a、6bを覆ってシール部材であるSUS板7が配置されている。SUS板7は長方形状に構成されており、それぞれ2箇所に耳部7a、7bが設けられるとともに、各耳部7a、7bは、セパレータ1に形成された段差部8に嵌合している。
このように、特許文献1では、SUS板7が連結流路6a、6bを覆っているために、高分子膜(図示せず)及びパッキン5が酸化剤ガス流路2に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。
特開2001−266911号公報(段落[0026]〜[0028]、図1)
しかしながら、上記の特許文献1では、セパレータ1の連結流路6a、6bにそれぞれSUS板7が装着されており、前記SUS板7の装着作業が煩雑である。特に、数十〜数百の燃料電池が積層される場合には、SUS板7の装着工程が相当に煩雑で且つ時間のかかるものとなってしまうとともに、コストが大幅に高騰するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つ簡単な構成で、所望のシール機能を確保しながら、ブリッジ部に適切な反応ガス連結流路を形成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。
本発明の燃料電池では、電解質膜の両側に第1の電極と該第1の電極よりも小さな表面積を有する第2の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第1及び第2のセパレータにより挟持する発電セルを設けている。第1の電極と第1のセパレータとの間、及び第2の電極と第2のセパレータとの間には、それぞれの電極面に沿って反応ガスを供給する第1及び第2の反応ガス流路が形成される一方、発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成されている。
さらに、発電セルには、積層方向に貫通して第1の反応ガス流路に連通する第1の反応ガス連通孔、第2の反応ガス流路に連通する第2の反応ガス連通孔、及び冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられている。
第1及び第2のセパレータ間には、第1の反応ガス連通孔から第1の反応ガス流路に至るブリッジ部が設けられるとともに、前記ブリッジ部は、一方のセパレータの面内に設けられる平坦状シールと、他方のセパレータの面内に設けられ、前記平坦状シールに当接する複数の凸状シールとを備えている。そして、平坦状シールと複数の凸状シールとの間には、第1の反応ガス連通孔と第1の反応ガス流路とを連通する反応ガス連結流路が形成されている。ここで、ブリッジ部は、第1の反応ガス連通孔と第1の反応ガス流路との繋ぎ部分をいう。
また、第1のセパレータの両面には、外周を覆って第1のシール部材が設けられ、第2のセパレータの両面には、外周を覆って第2のシール部材が設けられるとともに、前記第1又は第2のシール部材は、前記第1又は第2のセパレータの一方の面で冷却媒体流路を閉塞するシール部と、前記第1又は第2のセパレータの他方の面で前記シール部と積層方向に重なり合う平坦状シール又は複数の凸状シールとを備えることが好ましい。
さらにまた、平坦状シールには、反応ガス連結流路の流れ方向に沿って延在する複数の溝部が形成されることが好ましい。
本発明に係る燃料電池では、第1の反応ガス連通孔と第1の反応ガス流路との繋ぎ部分であるブリッジ部が、平坦状シールと前記平坦状シールに当接する複数の凸状シールとを備えており、専用の金属板(例えば、SUS板)が不要になる。このため、燃料電池の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、経済的且つ簡単な構成で、所望のシール性を確保することが可能になる。しかも、平坦状シールと複数の凸状シールとの間には、反応ガス連結流路が形成され、この反応ガス連結流路を介して第1の反応ガス連通孔と第1の反応ガス流路とを確実に連通させることができる。特に、平坦状シールと複数の凸状シールとの2枚のシールが密着し、その間に反応ガス連結流路が形成されるため、気密性の高い、すなわち、ガス洩れのない流路が良好に形成される。
また、平坦状シール又は凸状シールは、第1又は第2のセパレータの一方の面で冷却媒体流路を閉塞するシール部に積層方向に重なり合っており、この平坦状シール又は凸状シールは、前記シール部の面圧を維持することが可能になる。これにより、燃料電池に積層荷重が付与されている際に、面圧の低下が惹起されることがなく、積層構造体の強度確保、各発電セルの電極面圧分布の均一化、反応ガス及び冷却媒体のシール性の確保が遂行される。
さらにまた、平坦状シールには、複数の溝部が形成されるため、前記平坦状シールと複数の凸状シールとの間に形成される反応ガス連結流路は、所望の流路断面積を確保することができる。従って、反応ガス連結流路の圧損を有効に低下させることが可能になり、良好な発電機能を得ることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10を構成する発電セル12の要部分解斜視説明図であり、図2は、複数の発電セル12を矢印A方向に積層してスタック化された燃料電池10の、図1中、II−II線断面説明図である。
図1に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体14が、第1及び第2金属セパレータ16、18に挟持されている。第1及び第2金属セパレータ16、18は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。なお、第1及び第2金属セパレータ16、18に代替して、例えば、カーボン製セパレータを使用してもよい。
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入口連通孔(第1の反応ガス連通孔)20a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(第2の反応ガス連通孔)24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
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入口連通孔(第2の反応ガス連通孔)24a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(第1の反応ガス連通孔)20bが、矢印C方向に配列して設けられる。
図1及び図4に示すように、第1金属セパレータ(第1のセパレータ)16の電解質膜・電極構造体14に向かう面16aには、例えば、矢印B方向に1往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路(第1の反応ガス流路)26が設けられる。酸化剤ガス流路26は、第1金属セパレータ16を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部28を備えている。
第1金属セパレータ16の面16a、16bには、この第1金属セパレータ16の外周端部を周回して、第1シール部材30が焼き付けや射出成形等により一体化される。第1シール部材30は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
第1シール部材30は、平坦状に構成されており、面16aでは、酸化剤ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔20bを酸化剤ガス流路26に連通して形成される一方、面16bでは、冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体出口連通孔22bとを連通して形成される。
図4に示すように、第1シール部材30は、酸化剤ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔20bに近接して、ブリッジ部32a、32bを構成する平坦状シール34a、34bが設けられる。平坦状シール34a、34bは、第1シール部材30と同一平面状に設けられるとともに、前記平坦状シール34a、34bは、第1シール部材30の面16b側の一部分(後述する外側突起64の一部分)と積層方向に重なり合っている。平坦状シール34a、34bには、それぞれ矢印B方向に延在する複数の溝部36a、36bが所定間隔ずつ離間し且つ所定の深さまで形成される。
図5に示すように、第2金属セパレータ(第2のセパレータ)18の電解質膜・電極構造体14に向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとに連通し、矢印B方向に1往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路(第2の反応ガス流路)40が形成される。燃料ガス流路40は、第2金属セパレータ18を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部42を備える。
図1に示すように、第2金属セパレータ18の面18aとは反対の面18bには、冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体出口連通孔22bとに連通する冷却媒体流路46が形成される。この冷却媒体流路46は、例えば、矢印B方向に直線状に延在する複数の溝部48を備える。
冷却媒体流路46が設けられた第2金属セパレータ18の面18bには、それぞれ燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bに連通する複数の通路50a、50bが形成される。各通路50a、50bは、複数の孔部52a、52bに連通するとともに、前記孔部52a、52bは、面18aに設けられた燃料ガス流路40に連通する(図1及び図5参照)。
第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端部を周回して、第2シール部材54が一体化される。この第2シール部材54は、上記の第1シール部材30と同一の材料で構成される。図5に示すように、第2シール部材54は、第2金属セパレータ18の面18aに外側突起56と、この外側突起56から内方に所定の距離だけ離間する内側突起58とを設ける。この内側突起58は、燃料ガス流路40を閉塞している。
外側突起56は、酸化剤ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔20bの近傍に位置して、それぞれ矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列して複数の凸状シール60a、60bを設ける。図3及び図6に示すように、第1シール部材30の平坦状シール34a、34bには、第2シール部材54の複数の凸状シール60a、60bが当接する。平坦状シール34a、34b及び複数の凸状シール60a、60bは、ブリッジ部32a、32bを構成している。
図2に示すように、ブリッジ部32aは、酸化剤ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス流路26との繋ぎ部分(ブリッジ部範囲)をいう。同様に、ブリッジ部32bは、酸化剤ガス出口連通孔20bと酸化剤ガス流路26との繋ぎ部分をいう。
平坦状シール34aと複数の凸状シール60aとの間には、酸化剤ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス流路26とを連通する酸化剤ガス連結流路(反応ガス連結流路)62aが形成される。同様に、平坦状シール34bと複数の凸状シール60bとの間には、酸化剤ガス出口連通孔20bと酸化剤ガス流路26とを連通する酸化剤ガス連結流路(反応ガス連結流路)62bが形成される。
図1に示すように、第2シール部材54は、面18bに設けられる外側突起64と、この外側突起64の内方に離間して冷却媒体流路46を囲繞して設けられる内側突起66とを備える。図3及び図6に示すように、凸状シール60a、60bは、外側突起64の一部分(シール部)と積層方向に重なり合っている。
図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体14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た固体高分子電解質膜70と、前記固体高分子電解質膜70を挟持するカソード側電極(第1の電極)72及びアノード側電極(第2の電極)74とを備える。アノード側電極74は、カソード側電極72よりも小さな表面積に設定されている。
カソード側電極72及びアノード側電極74は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜70の両面に接合されている。
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。
先ず、図1に示すように、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔20aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22a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。
このため、燃料ガスは、図1及び図5に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから通路50a及び孔部52aを通って第2金属セパレータ18の燃料ガス流路40に導入される。この燃料ガスは、矢印B方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体14を構成するアノード側電極74に供給される。一方、酸化剤ガスは、図1及び図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔20aから第1金属セパレータ16の酸化剤ガス流路26に導入され、矢印B方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体14を構成するカソード側電極72に供給される(図2参照)。
従って、電解質膜・電極構造体14では、アノード側電極74に供給される燃料ガスと、カソード側電極72に供給される酸化剤ガスとが、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。
次いで、アノード側電極74に供給されて消費された燃料ガスは、孔部52b及び通路50bを通り燃料ガス出口連通孔24bに沿って矢印A方向に排出される(図1及び図5参照)。同様に、カソード側電極72に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔20bに沿って矢印A方向に排出される(図1及び図4参照)。
また、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ16、18間の冷却媒体流路46に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体14を冷却した後、冷却媒体出口連通孔22bから排出される(図1参照)。
この場合、本実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス流路26とを連結するブリッジ部32aと、酸化剤ガス出口連通孔20bと前記酸化剤ガス流路26とを連結するブリッジ部32bとを設けている(図1参照)。そして、ブリッジ部32a、32bは、第1シール部材30の平坦状シール34a、34bと、前記平坦状シール34a、34bに当接する第2シール部材54の複数の凸状シール60a、60bとを備えている(図3及び図6参照)。
このため、ブリッジ部32a、32bと酸化剤ガス流路26との連結部位を覆うために、従来のSUS板等の専用の金属板を用いる必要がなく、前記金属板の装着工程が削減される。従って、燃料電池10の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、経済的且つ簡単な構成で、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。
しかも、平坦状シール34a、34bと複数の凸状シール60a、60bとの間には、酸化剤ガス連結流路62a、62bが形成されている。これにより、酸化剤ガス連結流路62a、62bを介して、酸化剤ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔20bと酸化剤ガス流路26とを確実に連通することができる。
特に、2枚のシールである平坦状シール34a、34bと凸状シール60a、60bとが密着し、その間に酸化剤ガス連結流路62a、62bが形成されるため、気密性の高い、すなわち、ガス洩れのない流路が良好に形成される。
また、平坦状シール34a、34bは、第1金属セパレータ16の面16bで冷却媒体流路46を閉塞するシール部と積層方向に重なり合う一方、複数の凸状シール60a、60bは、第2金属セパレータ18の面18bで前記冷却媒体流路46を閉塞するシール部と積層方向に重なり合っている。従って、平坦状シール34a、34b及び複数の凸状シール60a、60bは、それぞれのシール部の面圧を維持することが可能になる。
これにより、燃料電池10に積層荷重が付与されている際に、面圧の低下が惹起されることがなく、積層構造体の強度確保、各発電セル12の電極面圧分布の均一化、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体のシール性の確保が遂行されるという利点がある。
さらにまた、平坦状シール34a、34bには、複数の溝部36a、36bが形成されるため、前記平坦状シール34a、34bと複数の凸状シール60a、60bとの間に形成される酸化剤ガス連結流路62a、62bは、所望の流路断面積を確保することができる。具体的には、図6に示すように、酸化剤ガス連結流路62a、62bの高さ方向の寸法Hが比較的大きく設定される。このため、酸化剤ガス連結流路62a、62bの圧損を有効に低下させることが可能になり、良好な発電機能を得ることができるという効果が得られる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 複数の発電セルを積層した前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するブリッジ部の一部断面斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第2金属セパレータの正面説明図である。 前記ブリッジ部の、図2中、VI−VI線断面図である。 特許文献1に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面視説明図である。
符号の説明
10…燃料電池 12…発電セル
14…電解質膜・電極構造体 16、18…金属セパレータ
20a…酸化剤ガス入口連通孔 20b…酸化剤ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
26…酸化剤ガス流路 30、54…シール部材
32a、32b…ブリッジ部 34a、34b…平坦状シール
36a、36b…溝部 40…燃料ガス流路
46…冷却媒体流路 56、64…外側突起
58、66…内側突起 60a、60b…凸状シール
62a、62b…酸化剤ガス連結流路 70…固体高分子電解質膜
72…カソード側電極 74…アノード側電極

Claims (3)

  1. 電解質膜の両側に第1の電極と該第1の電極よりも小さな表面積を有する第2の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第1及び第2のセパレータにより挟持する発電セルを設けるとともに、前記第1の電極と前記第1のセパレータとの間、及び前記第2の電極と前記第2のセパレータとの間には、それぞれの電極面に沿って反応ガスを供給する第1及び第2の反応ガス流路が形成される一方、前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、さらに積層方向に貫通して前記第1の反応ガス流路に連通する第1の反応ガス連通孔、前記第2の反応ガス流路に連通する第2の反応ガス連通孔、及び前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔を設ける燃料電池であって、
    前記第1及び第2のセパレータ間には、前記第1の反応ガス連通孔から前記第1の反応ガス流路に至るブリッジ部が設けられるとともに、
    前記ブリッジ部は、一方のセパレータの面内に設けられる平坦状シールと、
    他方のセパレータの面内に設けられ、前記平坦状シールに当接する複数の凸状シールと、
    を備え、
    前記平坦状シールと前記複数の凸状シールとの間には、前記第1の反応ガス連通孔と前記第1の反応ガス流路とを連通する反応ガス連結流路が形成されることを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項1記載の燃料電池において、前記第1のセパレータの両面には、外周を覆って第1のシール部材が設けられ、
    前記第2のセパレータの両面には、外周を覆って第2のシール部材が設けられるとともに、
    前記第1又は第2のシール部材は、前記第1又は第2のセパレータの一方の面で前記冷却媒体流路を閉塞するシール部と、
    前記第1又は第2のセパレータの他方の面で前記シール部と積層方向に重なり合う前記平坦状シール又は前記複数の凸状シールと、
    を備えることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記平坦状シールには、前記反応ガス連結流路の流れ方向に沿って延在する複数の溝部が形成されることを特徴とする燃料電池。

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