JP2006120376A

JP2006120376A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006120376A
Application number: JP2004305151A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nagoshi; 健太郎名越; Taisuke Okonogi; 泰介小此木; Masaru Oda; 優小田; Shigetoshi Sugita; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: US7977003B2; CA2519825C; US20060083977A1; JP4450716B2; CA2519825A1

Abstract

【課題】簡単な構成で、反応ガスのショートカットを確実に阻止することができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】発電セル１０は、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２６の外方に位置して固体高分子電解質膜２４に直接接触するアノード側シール部材４２と、前記電解質膜・電極構造体１２の外方に位置するカソード側シール部材４８とを備える。アノード側シール部材４２とカソード側シール部材４８との間に間隙５０が形成され、前記アノード側シール部材４２には、前記間隙５０側に突出する第１リブ部５２が一体成形される一方、前記カソード側シール部材４８には、前記間隙５０に突出し、且つ前記第１リブ部５２と千鳥状に配設される第２リブ部５４が一体成形される。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも大きな表面積を有する第２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セパレータ間に配設す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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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、アノード側電極には、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）が供給される一方、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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。

上記の発電セルでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１には、電解質膜・電極構造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が開示されている。

この燃料電池は、図８に示すように、電解質膜・電極構造体１が第１及び第２セパレータ２ａ、２ｂにより挟持された発電セルを備えている。電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜３と、この固体高分子電解質膜３を挟持するアノード側電極４ａ及びカソード側電極４ｂとを備えており、前記アノード側電極４ａが前記カソード側電極４ｂよりも大きな表面積に設定されている。すなわち、電解質膜・電極構造体１は、いわゆる、段差ＭＥＡを構成している。

第２セパレータ２ｂの内面側には、カソード側電極４ｂを囲むようにして固体高分子電解質膜３に密接する第１シール５ａが取り付けられている。さらに、第１及び第２セパレータ２ａ、２ｂ間には、第１シール５ａを囲むようにして第２シール５ｂが取り付けられている。

特開２００２−２５５８７号公報（図７）

ところで、上記の特許文献１では、第１及び第２シール５ａ、５ｂ間に形成される隙間６に、反応ガスが洩れてしまい、この反応ガスが反応ガス流路（図示せず）に沿って流れずにカソード側電極４ｂの外周部分を通過してしまうおそれがある。いわゆる、ショートカットの発生である。これにより、反応ガスを電極反応面に確実に供給することができず、良好な発電性能が維持されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止することができ、所望の発電性能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。

本発明は、電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも大きな表面積を有する第２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・電極構造体が第１及び第２セパレータ間に配設される燃料電池である。

第１セパレータには、第１電極の外方に位置して電解質膜・電極構造体に接触する第１シール部材が設けられるとともに、第２セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外方に位置して前記第１セパレータに接触する第２シール部材が設けられ、前記第１シール部材と前記第２シール部材とには、互いに千鳥状に配設される第１リブ部と第２リブ部とが一体的に形成されている。

また、第１シール部材又は第２シール部材には、第２リブ部又は第１リブ部に対向する第３リブ部が一体的に形成されることが好ましい。これにより、第１シール部材と第２シール部材との間隙を可及的に狭小にすることができ、ショートカットの発生を一層確実に阻止することが可能になる。

本発明によれば、第１及び第２シール部材には、互いに千鳥状に配設される第１及び第２リブ部が一体的に形成されるため、前記第１及び第２シール部材間の隙間を通って反応ガスがショートカットすることを有効に阻止することができる。これにより、発電に利用されない反応ガスを良好に削減することが可能になり、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が確実に遂行される。

図１は、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１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記発電セル１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記発電セル１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

図１に示すように、発電セル１０は、電解質膜・電極構造体１２をアノード側金属セパレータ（第１セパレータ）１４とカソード側金属セパレータ（第２セパレータ）１６とで挟持して構成される。アノード側金属セパレータ１４及びカソード側金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されている。

発電セル１０の長辺方向（図１中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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１８ａと、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２０ｂとが設けられる。

発電セル１０の長辺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２０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとが設けられる。

発電セル１０の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、２２ａが設けられるとともに、前記発電セル１０の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、２２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体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た固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するアノード側電極（第１電極）２６及びカソード側電極（第２電極）２８とを備える。アノード側電極２６は、カソード側電極２８よりも小さな表面積を有している（図１〜図３参照）。

アノード側電極２６及びカソード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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て形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

アノード側金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２０ｂとに連通する燃料ガス流路３０が形成される。この燃料ガス流路３０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部により構成される。

図４に示すように、アノード側金属セパレータ１４の面１４ｂ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３２が形成される。この冷却媒体流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。

図１に示すように、カソード側金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部からなる酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３４は、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する。

図１及び図４に示すように、アノード側金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して、第１弾性シール４０が一体化される。第１弾性シール４０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。

第１弾性シール４０は、アノード側金属セパレータ１４の面１４ａに一体化されるアノード側シール部材（第１シール部材）４２と、面１４ｂに一体化される冷却媒体側シール部材４４とを備える。アノード側シール部材４２及び冷却媒体側シール部材４４は、先端先細り形状、台形状又は蒲鉾形状等、種々の断面形状が選択可能である。アノード側金属セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２０ｂに近接して複数の供給孔部４５ａ及び排出孔部４５ｂが貫通形成される。

図２、図３及び図５に示すように、アノード側シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２６の外方に位置して固体高分子電解質膜２４に直接接触する。冷却媒体側シール部材４４は、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとを冷却媒体流路３２に連通するとともに、前記冷却媒体流路３２から酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを遮蔽する。

図１に示すように、カソード側金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して、第２弾性シール４６が一体化される。第２弾性シール４６は、カソード側金属セパレータ１６の面１６ａに一体化されるカソード側シール部材（第２シール部材）４８を備える。このカソード側シール部材４８は、アノード側シール部材４２と同様に構成される。

図１〜図３に示すように、カソード側シール部材４８は、電解質膜・電極構造体１２の外方に位置してアノード側金属セパレータ１４の面１４ａに直接接触とともに、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを酸化剤ガス流路３４に連通する。

図５に示すように、発電セル１０では、電解質膜・電極構造体１２をアノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６とにより挟持する際、アノード側シール部材４２とカソード側シール部材４８との間には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する間隙５０が形成される。

アノード側シール部材４２には、カソード側シール部材４８に向かって該カソード側シール部材４８に干渉しない位置まで突出する複数の第１リブ部５２が一体成形される（図３及び図５参照）。カソード側シール部材４８には、アノード側シール部材４２に向い且つ電解質膜・電極構造体１２の外周部に干渉しない位置まで延在する複数の第２リブ部５４が一体成形される（図２及び図５参照）。

実際上、圧縮公差や組立公差によって、カソード側シール部材４８が第１リブ部５２により倒されたり、第２リブ部５４が電解質膜・電極構造体１２により倒されたりすることを阻止するために、それぞれ隙間を設ける必要がある。そして、上記「干渉しない位置まで突出する」及び「干渉しない位置まで延在する」とは、この隙間を設けることをいう。

第１リブ部５２と第２リブ部５４とは、互いに千鳥状に配設される。アノード側シール部材４２には、第２リブ部５４に対向し且つ該第２リブ部５４に向かって突出する複数の第３リブ部５６が一体成形される（図２及び図５参照）。

このように構成される発電セル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、酸化剤ガス入口連通孔１８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。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、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａからカソード側金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路３４に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２８に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２０ａから供給孔部４５ａを通ってアノード側金属セパレータ１４の燃料ガス流路３０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６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て発電が行われる。

次いで、カソード側電極２８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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２６に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４５ｂを通り燃料ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、アノード側金属セパレータ１４の冷却媒体流路３２に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する（図４参照）。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２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、第１の実施形態では、図２、図３及び図５に示すように、電解質膜・電極構造体１２の固体高分子電解質膜２４に直接接触するアノード側シール部材４２と、前記電解質膜・電極構造体１２の外方を周回してアノード側金属セパレータ１４に直接接触するカソード側シール部材４８とを設けている。そして、アノード側シール部材４２とカソード側シール部材４８とには、互いに千鳥状に配設される第１リブ部５２と第２リブ部５４とが一体的に形成されている。

このため、アノード側シール部材４２とカソード側シール部材４８との間隙５０には、第１リブ部５２と第２リブ部５４とが千鳥状に突出している。従って、酸化剤ガスや燃料ガス等の反応ガスが、間隙５０を通ってショートカットすることを有効に阻止することができる。これにより、発電に利用されない反応ガスを良好に削減することが可能になり、簡単な構成で、経済的且つ効率的な発電が確実に遂行されるという効果が得られる。

また、第１の実施形態では、アノード側シール部材４２には、カソード側シール部材４８の第２リブ部５４に対向して第３リブ部５６が一体成形されている。従って、第２及び第３リブ部５４、５６間を可及的に狭小にすることができ、反応ガスのショートカットの発生を一層確実に阻止することが可能になる。

なお、第１の実施形態では、アノード側シール部材４２に第１及び第３リブ部５２、５６を設ける一方、カソード側シール部材４８に第２リブ部５４を設けているが、これに限定されるものではない。例えば、カソード側シール部材４８に第１及び第３リブ部５２、５６を設ける一方、アノード側シール部材４２に第２リブ部５４を設けてもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル６０の要部拡大説明図である。なお、第１の実施形態に係る発電セル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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

発電セル６０は、アノード側シール部材（第１シール部材）６２と、カソード側シール部材（第２シール部材）６４とを備える。アノード側シール部材６２とカソード側シール部材６４との間には、間隙６６が設けられ、前記アノード側シール部材６２には、前記間隙６６に突出して略Ｌ字状に屈曲する第１リブ部６８が複数一体成形される。カソード側シール部材６４には、間隙６６に突出し略Ｌ字状に屈曲する第２リブ部６９が複数一体成形される。第１リブ部６８と第２リブ部６９とは、互いの先端部が近接する方向に延在しており、間隙６６内には、迷路状に複雑に屈曲する仕切部位が構成されている。

このように構成される第２の実施形態では、間隙６６内に複雑に屈曲するの仕切部位が用いられている。これにより、間隙６６を介して反応ガスにショートカットが惹起されることを確実に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セル７０の要部分解断面図である。

発電セル７０は、アノード側シール部材７２及びカソード側シール部材７４を備えるとともに、前記アノード側シール部材７２には、第１リブ部７６が一体成形される一方、前記カソード側シール部材７４には、第２リブ部７８が一体成形される。第１リブ部７６と第２リブ部７８とは、互いに対向して配設され、前記第１リブ部７６と前記第２リブ部７８とは、それぞれのテーパ面７６ａ、７６ｂで部分的に接触する。

従って、第３の実施形態では、アノード側金属セパレータ１４とカソード側金属セパレータ１６とにより電解質膜・電極構造体１２を挟持して発電セル７０が組み付けられる際、第１リブ部７６と第２リブ部７８とは、テーパ面７６ａ、７６ｂで部分的に接触する。これにより、反応ガスのショートカットを確実に阻止することができるとともに、アノード側シール部材７２とカソード側シール部材７４とには、必要以上の接触圧力が発生することがなく、変形や不要な応力の発生を良好に防止することが可能になる。

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。前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。前記発電セルの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。前記発電セルを構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。前記発電セルを構成するアノード側シール部材とカソード側シール部材の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部拡大説明図である。本発明の第３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断面図である。特許文献１に開示されたシール構造の説明図である。

符号の説明

１０、６０、７０…発電セル１２…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側金属セパレータ１６…カソード側金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔１８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…燃料ガス入口連通孔２０ｂ…燃料ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４…固体高分子電解質膜２６…アノード側電極
２８…カソード側電極３０…燃料ガス流路
３２…冷却媒体流路３４…酸化剤ガス流路
４０、４６…弾性シール４２、６２、７２…アノード側シール部材
４４…冷却媒体側シール部材４８、６４、７４…カソード側シール部材
５０、６６…間隙
５２、５４、５６、６８、６９、７６、７８…リブ部

Claims

電解質膜の両側に第１電極と該第１電極よりも大きな表面積を有する第２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・電極構造体が第１及び第２セパレータ間に配設される燃料電池であって、
前記第１セパレータには、前記第１電極の外方に位置して前記電解質膜・電極構造体に接触する第１シール部材が設けられるとともに、
前記第２セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外方に位置して前記第１セパレータに接触する第２シール部材が設けられ、
前記第１シール部材と前記第２シール部材とには、互いに千鳥状に配設される第１リブ部と第２リブ部とが一体的に形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記第１シール部材又は前記第２シール部材には、前記第２リブ部又は前記第１リブ部に対向する第３リブ部が一体的に形成されることを特徴とする燃料電池。