JP2005327653A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 セルの面内圧を均一化し、セル間に発電量のばらつきが生じることを防止し、信頼性の高い燃料電池を提供する。
【解決手段】 ＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０の両側に各々配設されるメタルセパレータ１８及び１９と、を備えた単セル４０を複数積層してなり、単セル４０のメタルセパレータ１８と、この単セル４０に隣接して積層される単セル４０のメタルセパレータ１９との間に、冷却層５０を介在させ、この冷却層５０に導電性部材３０を配設してなる燃料電池１である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池にかかり、特に、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）をメタルセパレータで挟んだ構造を備えた燃料電池に関する。

従来から、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及びガス拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及びガス拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly：以下、単に「ＭＥＡ」ということがある）と、前記燃料極に燃料ガス（水素）を、酸化剤極に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層した構成のものがある。

このような燃料電池としては、例えば、前記セパレータのうち燃料電池発電部に対応する部分の、一面に、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで対向する一対の対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びる奇数個の平行直線部と、前記奇数−１個の偶数個のＵターン部とを有するガス流路が、複数個、並列に形成されており、他面に前記一対の対向部にわたって直線状に延びＵターン部をもたない冷媒流路が形成されているセパレータを備えたものが紹介されている。そして、この冷媒流路は、単セルのメタルセパレータと、この単セルに隣接して積層される単セルのメタルセパレータとの間に配置されており、これによって、冷却水は、これらのメタルセパレータ間を通過する構成となっている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６８３３１号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池では、前記ガス流路を流れる生成水や加湿水等によって電解質膜が膨潤したり、ガス拡散層の反力を受ける等して、セルの電解質膜が配設されている部分（通常は、セルの略中央部分）がセルの積層方向に膨らみ、セル面内において、セル積層方向の厚さが不均一になることがある。

ここで、近年では、セパレータの薄膜化が進む傾向にあるが、セパレータが薄膜化すると、セパレータの剛性が低下することになり、前記セル面内において、セル積層方向の厚さに不均一がより生じ易くなる虞もある。

このように、セル面内においてセル積層方向の厚さが不均一になると、セルの面内圧が不均一となり、発電する際に、電解質膜に有効に活用されない部分が生じ、セルの面内各箇所において、発電量にばらつきが生じてしまう。

そして、燃料電池では、多数の単セルを積層してスタックを構成しているが、セルを多数積層した場合は、前記セル積層方向における厚さの差が累積され、セルの積層方向の厚さ分布がさらに大きくなり、セルの面内における発電量を均一化することがより一層困難になる虞もある。

本発明は、このような従来の燃料電池を改良することを課題とするものであり、セルの面内圧を均一化し、セル間に発電量のばらつきが生じることを防止し、信頼性の高い燃料電池を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と、当該ＭＥＡの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、第１の単セルのセパレータと、当該第１の単セルに隣接して積層される第２の単セルのセパレータとの間で冷却層を構成し、当該冷却層に導電性部材を配設してなる燃料電池を提供するものである。

この構成を備えた燃料電池は、第１の単セルのセパレータと、当該第１の単セルに隣接して積層される第２の単セルのセパレータとの間に導電性部材を配設した構成を備えているため、この部分の剛性を向上させることができる。したがって、例えば、ガス流路を流れる生成水や加湿水等によって電解質膜が膨潤したり、ガス拡散層の反力を受ける等して、セルの電解質膜が配設されている部分が、セルの積層方向に膨張しようとしても、前記導電性部材によって当該膨張が生じることを抑止することができる。このため、セルの面圧を均一にすることができる。

また、前記導電性部材は、前記冷却層に供給された冷媒を流通可能に構成することができる。このように構成することで、冷媒が冷却層内を効率よく流通するため、燃料電池をさらに効率よく冷却することができる。

また、本発明にかかる燃料電池では、前記セパレータの厚さを、０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下に設定することが好適である。また、前記セパレータは、メタルセパレータであってもよい。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池では、前記導電性部材は、発泡金属を含んでなることができる。この場合、発泡金属は、前記両メタルセパレータの間に、単独で配設されてもよく、導電性部材の間に挟む等の加工を施した後、前記両メタルセパレータの間に配設してもよい。

また、前記発泡金属は、多孔質な導電性材料から構成することもできる。そしてまた、前記発泡金属は、気孔率が５０％以上のものを使用することがより好ましい。

なお、前記導電性部材は、この部材が配設されていない場合と比較して、単セルの剛性を向上する目的で配設されるものであり、この意味で導電性剛性部材と解釈することができる。

本発明にかかる燃料電池は、前記第１の単セルのセパレータと、前記第２の単セルのセパレータとの間に導電性部材を配設した構成を備えているため、この部分の剛性を向上させることができる。このため、例えば、ガス流路を流れる生成水や加湿水等によって電解質膜が膨潤したり、ガス拡散層の反力を受ける等して、セルの電解質膜が配設されている部分が、セルの積層方向に膨張しようとしても、前記導電性部材によって当該膨張が生じることを抑止することができる。したがって、セルの面圧を均一にすることができる結果、セル間に発電量のばらつきが生じることを防止し、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池の全体概略図、図２は、図１に示す燃料電池の単セルの分解図、図３は、図２に示す２枚の樹脂板の間にＭＥＡを配設してなる積層体を示す平面図、図４は、図３に示すIV−IV線に沿った位置で切った断面図、図５は、図３に示す積層体の両側にメタルセパレータを配設してなる積層体を、図３に示すＶ−Ｖ線に沿った位置で切った断面図、図６は、図２に示すVI−VI線に沿った位置で切った断面図、図７は、図２に示す単セルをVII−VII線に沿った位置で切った分解断面図、図８は、図１に示す燃料電池の一部を示す断面図である。なお、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、説明を判りやすくするため、実際のものとは一致させずに記載した。

図１〜図７に示すように本実施の形態にかかる燃料電池１は、図７に示すように、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及び拡散層からなる燃料極１４（アノード）及び電解質膜１１の他面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極１７（カソード）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１０と、ＭＥＡ１０の酸化剤極１７側に配設され、ＭＥＡ１０を保持する樹脂板１２と、ＭＥＡ１０の燃料極１４側に配設され、ＭＥＡ１０を保持する樹脂板１３と、樹脂板１２及び１３に保持されたＭＥＡ１０を挟んで燃料極１４側に配設されたメタルセパレータ１８と、ＭＥＡ１０を挟んで酸化剤極１７側に配設されたメタルセパレータ１９と、メタルセパレータ１８側に配設された導電性部材３０と、を重ねて単セル４０を形成している。そして、単セル４０を１層以上積層してモジュール９を構成し（本実施の形態では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール９を複数積層してモジュール群としている。

このモジュール群では、単セル４０（第１の単セル）のメタルセパレータ１８と、この単セル４０に隣接して積層される単セル４０（第２の単セル）のメタルセパレータ１９との間に、導電性部材３０が配置される。そして、後に詳述するが、この導電性部材３０が配置された部分、すなわち、単セル４０のメタルセパレータ１８と、この単セル４０に隣接して積層される単セル４０のメタルセパレータ１９との間が、冷却層５０を構成している。なお、この冷却層５０には、冷却水や冷却ガス等、任意の冷媒が流通可能となっている。

そして、前記モジュール群のセル積層方向両端には、図１に示すように、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２が配置され、前記モジュール群とこれらによってスタック２３を構成している。このスタック２３は、その外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（例えば、テンションプレート、スルーボルト等）と、ボルト２５またはナットによって固定され、セル積層方向に締め付けられる。

メタルセパレータ１８及び１９は、例えば、平板を打ち抜くことで形成されており、約０．１〜０．２ｍｍの板厚を備えている。このメタルセパレータ１８及び１９としては、耐酸性に優れた材質のものを使用することが好ましく、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ等を好適に使用することができる。また、メタルセパレータ１８及び１９には、表面処理を施したり、不活性な塗料を塗布する等により、耐酸性を付与してもよい。このメタルセパレータ１８及び１９には、図２に示すように、燃料ガス入口３３、燃料ガス出口３４と、酸化ガス入口３５、酸化ガス出口３６が形成されている。また、符号３１及び３２は、後に詳述する冷却層５０に、燃料電池冷却用の冷媒を供給するための冷媒入口及び出口である。

樹脂板１２及び１３は、燃料電池１の発電部対応部（燃料電池の発電部に対応する部分）に、ＭＥＡ１０が配置される中抜き穴３７が形成されたフレーム状を備えている。この樹脂板１２及び１３は、特に図５に示すように、ＭＥＡ１０の平面方向端部と、ガス及び冷媒通路とを密閉するシール部材３８が配設されている。樹脂板１２及び１３のＭＥＡ１０の端部は、ガスのクロスリーク等が発生することを防止するために、電解質膜１１や燃料極１４（拡散層）及び酸化剤極１７（拡散層）の端部に浸透させている。なお、ＭＥＡ１０と、樹脂板１２及び１３との積層部分の所望位置には、図示しないシール部材が設けられている。

また、樹脂板１２のメタルセパレータ１９との対向面、及び樹脂板１３のメタルセパレータ１８との対向面には、シール部３９が形成される。このシール部３９は、融点より若干高い温度でメタルセパレータ１８及び１９に溶着されている。この時、温度を上げ過ぎると、電解質膜１１が破損する虞があるため、比較的低融点の樹脂を使用する。なお、メタルセパレータ１８及び１９は、ＭＥＡ１０が配置された樹脂板１２及び１３の表裏に溶着されている。そして、これらの樹脂板１２及び１３にも、メタルセパレータ１８及び１９と同様に、燃料ガス入口３３、燃料ガス出口３４、酸化ガス入口３５、酸化ガス出口３６、冷媒入口３１、冷媒出口３２が形成されている。

なお、本実施の形態では、樹脂板１２及び１３として、融点が約１００〜１１０℃のものを使用した。また、樹脂板１２及び１３は、弾性が低く、強度の高い材質のものを使用することが、セル面内において、セル積層方向の厚さが不均一になること（セルの電解質膜１１が配設されている部分が、セルの積層方向に膨張しようとすること）を防止する上で、より有利である。

導電性部材３０は、図８に示すように、単セル４０のメタルセパレータ１８と、この単セル４０に隣接して積層される単セル４０のメタルセパレータ１９との間に配設されて、ここを流通する冷媒と共に、冷却層５０（図２、図６及び図７参照）を構成する。さらに具体的には、このメタルセパレータ１８及び１９の間であって、ＭＥＡ１０が配設されている領域に配設されている。また、ＭＥＡ１０が配設されている領域の外側には、メタルセパレータ１８及び１９と同様に、燃料ガス入口３３、燃料ガス出口３４、酸化ガス入口３５、酸化ガス出口３６、冷媒入口３１、冷媒出口３２が形成されている。

この導電性部材３０は、冷却水や冷却ガス等の冷媒が流れやすく、且つ熱を奪いやすい性質を備えた部材から構成することがより好ましい。なお、本実施の形態では、この導電性部材３０を気孔率が５０％以上である発泡金属（多孔性の導電性部材）から構成した。この発泡金属は、気孔を介して冷媒が流通すると共に、冷媒が通過する際、冷媒の接触面積が大きくなるため、燃料電池１の発電によって発生する熱を効率よく排熱することができる。

このメタルセパレータ１８及び１９の間に導電性部材３０を配設することで、例え、メタルセパレータ１８及び１９が薄膜化して、それ自身の剛性が、薄膜化する前と比べて低下したとしても、この部分の剛性を導電性部材３０によって補い、且つ向上することができる。

また、本実施の形態のように、樹脂板１２及び１３の発電部対応部に、ＭＥＡ１０が配置される中抜き穴３７が形成されている場合、単セル４０の周囲の剛性は、樹脂板１２及び１３によって維持することはできるが、ＭＥＡ１０が存在する部分の剛性を十分に維持することは困難となることがある。しかしながら、例え、樹脂板１２及び１３に中抜き穴３７が形成されていて、ＭＥＡ１０が存在する部分の剛性を十分に維持することが困難であったとしても、本発明によれば、この部分の剛性を導電性部材３０によって補い、且つ向上することができる。このため、例えば、ガス流路を流れる生成水や加湿水等によって、ＭＥＡ１０の電解質膜１１が膨潤したり、ガス拡散層の反力を受ける等して、セルの電解質膜１１が配設されている部分が、セルの積層方向に膨張しようとしても、この現象が発生することを抑制することができる。この結果、セル積層時のスタック２３の変形による発電力低下を防止する役割を果たすことができる。

なお、導電性部材３０は、冷却層５０に供給された冷媒の流通に支承を来さずに、セル積層時のスタック２３の変形を防止可能であれば、特に限定されるものではないが、例えば、前述した実施の形態で説明した発泡金属（多孔質な導電性部材）の他、例えば、図９に示すように、ＳＵＳを波形に形成したプレス板６１の表裏を、導電性材料からなる部材６２及び６３で挟んだ構造としてもよい。この場合、プレス板６１の板厚は、約０．１〜０．２ｍｍに設定することができる。

また、プレス板６１に代えて、発泡金属を導電性材料からなる部材６２及び６３で挟んだ構造としてもよい。この場合、発泡金属の気孔率は、５０％以上とすることが好ましいが、この値は特に限定されるものではない。

そしてまた、本実施の形態では、セパレータとして、メタルセパレータ１８及び１９を使用した場合について説明したが、これに限らず、例えば、カーボンセパレータ等、燃料電池としての特性に支障を来さない限り、他の材料からなるセパレータを使用することができる。

また、本実施の形態では、ＭＥＡ１０を樹脂板１２及び１３で挟んだ構成の単セル４０について説明したが、これに限らず、所望により樹脂板１２及び１３を配設しない構造とすることもできる。特に、例えば、メタルセパレータ１８及び１９に代えて、カーボンセパレータを使用した場合、樹脂板１２及び１３を配設しなくてもよい。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池の全体概略図である。 図１に示す燃料電池の単セルの分解図である。 図２に示す２枚の樹脂板の間にＭＥＡを配設してなる積層体を示す平面図である。 図３に示すIV−IV線に沿った位置で切った断面図である。 図３に示す積層体の両側にメタルセパレータを配設してなる積層体を、図３に示すＶ−Ｖ線に沿った位置で切った断面図である。 図２に示すVI−VI線に沿った位置で切った断面図である。 図２に示す単セルをVII−VII線に沿った位置で切った分解断面図である。 図１に示す燃料電池の一部を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる導電性部材の一部断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１０ ＭＥＡ
１１ 電解質膜
１２、１３ 樹脂板
１４ 燃料極
１７ 酸化剤極
１８、１９ メタルセパレータ
３０ 導電性部材
４０ 単セル
５０ 冷却層

Claims (7)

1. 膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、
   第１の単セルのセパレータと、当該第１の単セルに隣接して積層される第２の単セルのセパレータとの間に冷却層を介在させ、当該冷却層に導電性部材を配設してなる燃料電池。
2. 前記導電性部材は、前記冷却層に供給された冷媒を流通可能である請求項１記載の燃料電池。
3. 前記セパレータの厚さが、０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下である請求項１または請求項２記載の燃料電池。
4. 前記セパレータが、メタルセパレータである請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記導電性部材が発泡金属を含んでなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記発泡金属が多孔質な導電性材料からなる請求項５記載の燃料電池。
7. 前記発泡金属の気孔率が５０％以上である請求項５または請求項６記載の燃料電池。
   
   

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