JP2005235692A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性を確保し易い固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】触媒層２２、２４を両面に配した筒形状の電解質膜２１と、電解質２１の両主面にそれぞれ構成したガス拡散層２３、２５と、ガス拡散層２３、２５の一方に沿って形成されたカソードガス流路３２およびそれを構成するカソード側セパレータ３１と、ガス拡散層２３、２５のもう一方に沿って形成されたアノードガス流路１２およびそれを構成するアノード側セパレータ１１と、を備える。このような筒形状積層体の端部に、アノードガスおよびカソードガスのリークを抑制する第一シール部８ａを有する蓋６を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。特に、筒形状の単位セルを有する固体高分子型燃料電池に関する。

従来の固体高分子型燃料電池として、電解質膜と、これを両側から挟持するアノードおよびカソードと、さらにこれら電極の両側に配設されたセパレータとを備える単セルを、複数積層して構成したものが知られている。さらに燃料電池は、上記積層された各部材の外周部に外周部材を備えている。外周部材は、絶縁性の樹脂により形成され、積層された各部材の外周部に配設されることによって、燃料電池内部で短絡が生じるのを防止すると共に、燃料電池内部のガス流路からガスが外部に漏れ出すのを防いでいる。なお、スタック構造を構成する各部材と、外周部材とが接触する領域には、所定の接着剤が塗布されており、燃料ガスおよび酸化ガスのシール性は、実質的にはこの接着剤によって確保されている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００１−１５１３２号公報

上述したような燃料電池においては、主にカーボンや表面に耐食処理を行ったステンレス等の金属が用いられるセパレータと、カーボン繊維が主に用いられるガス拡散層と、白金等の貴金属が用いられる触媒層と、炭素とフッ素を主鎖、側鎖にスルホン酸基等がついた炭素とフッ素の高分子構造をもつ固体高分子膜といった異なる材質よりなる構成要素を一方向に並べて積層した状態で一組の燃料電池セルが構成される。そのため、熱膨張係数の違いや発電した際に生成される水や供給されたガス中の水を含むことによって生じる各部材の膨張・収縮現象の差、振動等の外的要因によって、締付圧力を均一に保つことが難しい。その結果、各構成部材に加わる積層方向の締付圧力が常に各ガス圧力より大きく、且つ、均一にしてシール性を確保することが難しく、反応に必要なアノードガス、カソードガス、冷却水および発電でカソード側に生成される水の漏洩が発生する可能性がある。

また、発電中に発生する熱によっても、部材の膨張、収縮等の変形や振動によるずれといった問題が生じ、これらもシール性能を弱める要因として考えられる。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、シール性を確保し易い固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、触媒層を両面に配した筒形状の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両主面にそれぞれ構成したガス拡散層と、前記ガス拡散層の一方に沿って形成されたカソードガス流路およびそれを構成するカソード側セパレータと、前記ガス拡散層のもう一方に沿って形成されたアノードガス流路およびそれを構成するアノード側セパレータと、を備えた筒状積層体の端部に、アノードガスおよびカソードガスのリークを抑制する第一シール部を有する蓋状部材を備える。

筒状積層体端部に、第一シール部を有する蓋状部材を備えることで、アノードガス、カソードガスのリークを抑制することができる。このとき、蓋状部材に均等に圧力をかけることにより、シールの締付力を均等にすることが可能となり、シール性を維持することができる。

本実施形態に用いる燃料電池１００の構成を説明する。ここでは燃料電池１００を、外観が多角筒形状の単位セル１００ａにより構成する。図１に単位セル１００ａの縦断面を、図２に横断面を示す。

単位セル１００ａを筒形状に構成する。ここでは、外側から中心部に向かって、アノード層１、電極層２、カソード層３、冷却層４からなる筒形状に構成する。筒状の両端部には、アノード側蓋部６ａ、カソード側蓋部６ｃを有する蓋６を配置し、筒形状内部を閉塞空間とする。

図２（ａ）に反応領域における横断面（Ａ−Ａ横断面）を示す。電極層２を、円筒形状の電解質膜２１の内周側にカソード触媒層２４、カソードガス拡散層２５を備え、外周側にアノード触媒層２２、アノードガス拡散層２３を備えた円筒形状に構成する。電極層２のさらに外周側には、多角筒形状のアノード側セパレータ１１と、電極層２とアノード側セパレータ１１との間の空間により形成されるアノードガス流路１２とからなるアノード層１を備える。多角筒形状のアノード側セパレータ１１の内側面に、円筒形状の電極層２の外側面が接触するように構成する。つまり、アノードガス流路１２は、アノード側セパレータ１１断面である多角形の頂点毎に、電極層２の外側面に沿って形成された空間により構成される。ここではアノード側セパレータ１１の断面を六角形に構成するので、六つの空間によりアノードガス流路１２が構成される。

一方、電極層２の内周側には、多角筒形状のカソード側セパレータ３１と、電極層２とカソード側セパレータ３１との間の空間により形成されるカソードガス流路３２とからなるカソード層３を構成する。カソード側セパレータ３１の多角形断面の頂点が、円筒形状の電極層２の内側面に接触するように構成する。つまり、カソードガス流路３２は、カソード側セパレータ３１の多角形断面の辺毎に、電極層２の内側面に沿って形成された空間により構成する。なお、電解質膜２１の損傷を防ぐため、電極層２との接触部分であるカソード側セパレータ３１の各頂点にはＲ加工を施す。ここでは、カソード側セパレータ３１の断面を六角形に構成する。

ここではカソード側セパレータ３１の断面の各頂点とアノード側セパレータ１１の断面の各頂点は、それぞれ同じ半径上に位置するように構成する、つまり、多角筒形状であるアノード側セパレータ１１とカソード側セパレータ３１の側面が、それぞれ平行となるように構成するが、この限りではない。

カソード層３の内側には、冷却層４を備える。冷却層４を、中心軸を含む多角柱形状に構成する。冷却層４に外部から冷却水を導入して流通させることにより、単位セル１００ａの温度を調整する。ここでは、冷却水を上方から下方に向かって流通させる。

このような筒形状の単位セル１００ａの端部近傍には、図１に示すように、電解質膜２１を支持する固定部９を設ける。固定部９を含む部分の横断面を、図２（ｂ）に示す。

筒形状端部で、アノード側セパレータ１１、カソード側セパレータ３１の一部が、アノードガス流路１２、カソードガス流路３２の流路断面をそれぞれ略閉塞するように構成することで固定部９を構成する。固定部９には、軸方向に貫通し、アノードガス流路１２、カソードガス流路３２それぞれに接続する貫通孔９１を設ける。外部から供給されたアノードガスまたはカソードガスは、この貫通孔９１を介して、それぞれアノードガス流路１２、カソードガス流路３２に導入される。

このような単位セル１００ａを、図１（ａ）に示すように、筒形状の中心軸が垂直方向となるように配置して発電を行う。筒形状の上端部と下端部には、それぞれ蓋６を備える。蓋６を、アノード層１を塞ぐように構成されたアノード側蓋部６ａと、カソード層３を塞ぐように構成されたカソード側蓋部６ｃを有する。

上方の端部に配置されたアノード側蓋部６ａを含む横断面を図２（ｃ）に示す。

アノード側蓋部６ａには、アノードガス流路１２に連通し、外部からアノードガスを導入するアノードガス供給口６１ｉを備える。ここでは、アノードガス流路１２が六つの空間よりなるので、空間毎にアノードガス供給口６１ｉを設ける。また、アノード層１に連通する陽極取出口６２を備える。

一方、カソード側蓋部６ｃには、カソードガス流路３２に連通し、カソードガスを導入するカソードガス供給口６３ｉを供える。ここでは、カソードガス流路３２を六つの空間から構成するので、空間毎にカソード供給口６３ｉを設ける。また、冷却層４内に連通する冷却水供給口６４ｉと、カソード層３に連通する陰極取出口６５を備える。

また、蓋６の、種類の異なる流体を隔離する部材の端部に対峙する位置に、流体の漏洩および混合を防ぐためのシール部８を構成する。ここでは、アノード層１とカソード層３間をシールする第一シール部８ａと、カソード層３と冷却層４間をシールする第二シール部８ｂを設ける。

第一シール部８ａを、電極層２の端部に沿って形成する。また、第一シール部８ａを絶縁体より構成する。さらに、第一シール部８ａを蓋６を軸方向に貫通するように構成する。つまり、アノード側蓋部６ａ、カソード側蓋部６ｃとの間が絶縁されるように構成する。これにより、アノード層１とカソード層３とともに、アノードガスとカソードガスの漏洩および混合を防止する。

また、第二シール部８ｂは、カソード側セパレータ３１の端部を覆うように形成する。これにより、カソードガスと冷却水の漏洩および混合を防止する。ここでは、第二シール部８ｂを、蓋６の内側表面に形成する。ただし、この限りではなく、第一シール部８ａと同様に、蓋６を軸方向に貫通するように構成してもよい。

ここでは、リング状の第一シール部８ａと第二シール部８ｂを形成する。このとき、第一シール部８ａおよび第二シール部８ｂは、それぞれ軸方向の厚みを十分にとることができるので、変形量を大きくとることができ、シール性を向上することができる。また、第一シール部８ａ、第二シール部８ｂを備えた蓋６を、アノード側セパレータ１１、カソード側セパレータ３１の少なくとも一方に固定する。このとき、例えば、ボルト等を用いた場合には、トルク管理等により、第一シール部８ａおよび第二シール部８ｂの締付圧力を均等にすることができる。

なお、ここではアノード側蓋部６ａ、カソード側蓋部６ｃを一体に構成するが、この限りではなく、分割して構成してもよい。

また、下方端部に配置した蓋６も同様の形状とする。ただし、アノードガス供給口６１ｉ、カソードガス供給口６３ｉ、冷却水供給口６４ｉの替わりに、アノードガス排出口６１ｏ、カソードガス排出口６３ｏ、冷却水排出口６４ｏを形成する。また、陽極取出口６２、陰極取出口６４は、上端または下端のどちらか一方の蓋６に形成すればよい。

発電時には、このような燃料電池１００にカソードガスを上方から下方に向かって流通させる。また、アノードガスも同様に上方から下方に向かって流通させる。ここで、カソード層３においては、発電反応に伴って水が生成されるが、重力およびカソードガスの流れにより、カソード触媒層２４カソードガス拡散層２５から除去することができる。

なお、本実施形態では、単位セル１００ａを多角筒形状に構成したがこの限りではない。例えば、円筒形状に構成してもよい。また、アノードガス、冷却水の流通方向は、上記記述に限らない。また、カソードガスの流通方向についても上記記述に限定するわけではない。

次に、本実施形態の効果について説明する。

触媒層２２、２４を両面に配した筒形状の電解質膜２１と、電解質２１の両主面にそれぞれ構成したガス拡散層２３、２５と、ガス拡散層２３、２５の一方に沿って形成されたカソードガス流路３２およびそれを構成するカソード側セパレータ３１と、ガス拡散層２３、２５のもう一方に沿って形成されたアノードガス流路１２およびそれを構成するアノード側セパレータ１１と、を備える。このような筒形状積層体の端部に、アノードガスおよびカソードガスのリークを抑制する第一シール部８ａを有する蓋６を備える。第一シール部８ａは上下の蓋６と各部材との間に配置し、アノードガス、カソードガスの漏れを防ぐ役割を持つ。これにより、例えばボルトを用いた場合、トルク管理等により第一シール部８ａの締付力を均等にすることが可能となり、漏れを防ぐことができる。

第一シール部８ａは、少なくとも電解質膜２１の端部に沿って形成される。これにより、比較的小さい領域をシールすることで、アノードガス、カソードガスのリークを抑制することができる。

また、筒形状積層体、ここでは単位セル１００ａの内側に温度調整を行うための冷却水を流通する冷却層４を備え、さらに、蓋６に、筒形状積層体と冷却層４間の流体のリークを抑制する第二シール部８ｂを備える。これにより、例えばボルトを用いた場合、トルク管理等により第二シール部８ｂの締付力を均等にすることが可能となり、漏れを防ぐことができる。また、内部側に冷却層４を設けることで、十分な反応面積を構成するとともに、単位セル１００ａの大型化を避けることができる。

また、少なくともカソードガスが、カソードガス流路３２内を上方から下方に向かって流れるように構成する。これにより、カソード側で生成した水を自由落下させるとともに、カソードガスの流れにより除去することができるので、水詰まりによる発電効率の低下を抑制することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池１００の横断面を図３に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、燃料電池１００を、複数の単位セル１００ａを組み合わせることにより構成する。単位セル１００ａを、断面がｎ角形の筒形状に構成した場合には、一つの単位セル１００ａの周りにｎ個の単位セル１００ａが配置されるように構成する。ここでは、断面を六角形としているので、一つの単位セル１００ａの周りに６個の単位セル１００ａが配置されるように構成する。

このように、単位セル１００ａの外形を多角筒形状とし、複数の単位セル１００ａを組み合わせることにより燃料電池１００を構成する。これにより、円筒型などに比較して、より密に単位セル１００ａを組み合わせることができ、燃料電池１００を大型化するのを避けることができる。また、アノード側セパレータ１１の各外側面が、隣接する単位セル１００ａと接触するため、アノード側の電力取出し部を１箇所にまとめることができる。

なお、ここでは、アノード層１を電極層２の外側に、カソード層３を内側に配置したが、この限りではない。電解質２の外側にカソード層３を、内側にアノード層１を構成してもよい。また、冷却層４を多角柱形状に構成したがこの限りではなく、温度調整に十分な流量を流通することができる形状であればよい。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、固体高分子型燃料電池に適用することができる。特に、異種の流体の漏洩および混合を防ぐためのシール構造を有する燃料電池に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池の縦断面図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池の反応領域の横断面図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池の端部の横断面図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池の蓋の横断面図である。 第２の実施形態に用いる燃料電池の横断面図である。

符号の説明

６ 蓋
８ａ 第一シール部
８ｂ 第二シール部
１１ アノード側セパレータ
１２ アノードガス流路
２１ 電解質膜
２２ アノード触媒層
２３ アノードガス拡散層
２４ カソード触媒層
２５ カソードガス拡散層
３１ カソード側セパレータ
３２ カソードガス流路
１００ａ 単位セル（筒形状積層体）

Claims (5)

1. 触媒層を両面に配した筒形状の固体高分子電解質膜と、
   前記固体高分子電解質膜の両主面にそれぞれ構成したガス拡散層と、
   一方の前記ガス拡散層に沿って形成されたカソードガス流路およびそれを構成するカソード側セパレータと、
   もう一方の前記ガス拡散層に沿って形成されたアノードガス流路およびそれを構成するアノード側セパレータと、を備えた筒状積層体の端部に、
   アノードガスおよびカソードガスのリークを抑制する第一シール部を有する蓋状部材を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 前記第一シール部は、少なくとも前記固体高分子電解質膜の端部に沿って形成される請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
3. 前記筒形状積層体の内側に温度調整を行うための冷却媒体を流通する冷却部を備え、
   さらに、前記蓋状部材に、前記筒形状積層体と前記冷却部間の流体のリークを抑制する第二シール部を備える請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 少なくともカソードガスが、前記カソードガス流路内を上方から下方に向かって流れるように構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
5. 前記筒形状積層体の外形を多角筒形状とし、複数の前記筒形状積層体を組み合わせることにより構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。