JP2006179236A

JP2006179236A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006179236A
Application number: JP2004369777A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ichikawa; 浩之市川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】ガス拡散層とセパレータとの接触面にかかる面圧にばらつきがある場合にも、ガス拡散層とセパレータとの接触面積を確保する。
【解決手段】固体高分子電解質膜１１と、固体高分子電解質膜１１の両側にそれぞれ配置される電極としての機能とガス拡散機能とを有するガス拡散層１２、１３と、ガス拡散層１２、１３の外側に配置され、ガス拡散層１２、１３と対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータ２０と、固体高分子電解質膜１１とセパレータ２０との隙間を保持してガス拡散層１２、１３の外側に額縁状に配置されるガスシール部材１６と、を積層して構成する燃料電池１において、前記ガス拡散層１２、１３は、前記積層する前には反応ガス流路（燃料ガス流路１７、酸化剤ガス流路１８）を画成するリブ部と対峙する部分の弾性係数を、反応ガス流路と対峙する部分の弾性係数よりも低くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散層の構造に関する。

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）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、それぞれの外側にガス拡散層を配置し、更にその外側からセパレータで挟持することにより構成されている。通常は、上記の構成を単位燃料電池セルとして、これを所定数だけ積層して構成する燃料電池スタックとして使用する。

燃料電池の発電のメカニズムは以下のとおりである。アノード側電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）が触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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。また、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素含有ガスあるいは空気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、および酸素ガスが反応して水が生成される。

上記の燃料電池スタックでは、電極面に対峙するセパレータ表面に形成されたガス流路からガス拡散層を介してアノード、カソードの各電極にそれぞれ燃料ガス、酸化ガスが供給され、同時にアノード側電極で生じた電子はアノードガス拡散層からアノードセパレータ、カソードセパレータ、カソードガス拡散層を介してカソード電極へと移動し、この電子が燃料電池スタックの両端部等に配置された集電板から取り出されて電気エネルギとして利用される。

すなわち、ガス拡散層は適度な空孔率を有することによってガス流路から電極面へガスを均等に供給するとともに、セパレータと密着してアノード電極からカソード電極へと電子をスムースに受け渡す電気回路の役割を担う。

ガス拡散層は、例えば特許文献１に記載されているように板状に成形され、セパレータのガス流路を形成した面と対峙するように配置される。
特開２００４−６２８０号

ところで、セパレータのガス拡散層との接触面には上記のようにガス流路が形成されているため、ガス拡散層はセパレータのガス流路以外の部分（以下、リブ部という）と接触することになる（以下、このガス拡散層のリブ部と接触する部分をリブ面という）。

燃料電池セルが形成されると、上記のリブ面を介して電解質膜にて生じた電子がセパレータ側へ移動する。また、ガス拡散層のうちセパレータのガス流路と対峙する面（以下、流路面という）からガス拡散層の内部を通じてリブ面から電解質膜方向へとガスを拡散する。

ガス拡散層は一般的に数十ミクロン〜数百ミクロンの厚みの平板に成形され、リブ面、流路面を問わず、荷重に対する潰れ安さ（弾性係数）等の機械的特性は均一に成形される。

また、ガス拡散層とセパレータとを積層する際の面圧は、同一接触面内であっても、各部品の寸法のばらつきや締結方法によるばらつきがある。

したがって、すべてのリブ面を確実にセパレータに接触させるためには、面圧の低い部分が確実に接触するように高い荷重をかけなければならず、これにより、もとから高い面圧がかかる部分には過剰な荷重がかかっていた。

このように過剰な荷重がかかることにより、ガス拡散層が変形してガス拡散層の流路面がセパレータのガス流路へはみ出し、流路の圧力損失が増加して発電性能が損なわれる懸念がある。

そこで、本発明では、ガス拡散層とセパレータとを確実に接触させつつ、ガス拡散層がガス流路にはみ出すことを防止することを目的とする。

本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ配置されるアノード電極およびカソード電極と、前記各電極の外側に配置されるガス拡散層と、前記ガス拡散層の外側に配置され、前記ガス拡散層と対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの隙間を保持して前記ガス拡散層の外側に額縁状に配置されるガスシール部材と、を積層して構成する燃料電池において、前記積層する前の、前記ガス拡散層の前記反応ガス流路を画成するリブ部と対峙する部分の弾性係数を、前記反応ガス流路と対峙する部分の弾性係数よりも小さくする。

本発明によれば、前記ガス拡散層の、前記反応ガス流路を画成するリブ部と対峙する部分は、反応ガス流路と対峙する部分に比べて弾性係数が低いので、例えば、リブ部と対峙する部分のみが潰れる程度の荷重を積層する際にかけると、リブ部と対峙する部分は潰れることによってリブ部への追随性が向上するので、リブ部との接触面積が大きくなる。また、このとき反応ガス流路と対峙する部分は、弾性係数が相対的に高いので、変形して反応ガス流路にはみ出すことがない。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用する燃料電池スタックの構成を表す斜視図である。

本発明の燃料電池は固体高分子型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車に搭載される。もちろん、自動車以外に用いることも可能である。

図１に示すように、燃料電池スタック１は、起電力を生じる単位電池としてのセル１０を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成される。セル１０はそれぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが１Ｖ程度の起電力を生じる。

図２は固体高分子型燃料電池のセル１０の構造を示す斜視図である。イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）１１の両面には触媒が塗布され、その両側にはそれぞれアノード電極、カソード電極としての機能と触媒面へのガス拡散機能を有するアノードガス拡散層（燃料極）１２とカソードガス拡散層（空気極）１３が配置され、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４を構成する。ＭＥＡ１４の外側には電極に燃料ガス（水素）および酸化ガス（空気または酸素）を供給するための反応ガス流路を備えるセパレータ２０が配置される。ＭＥＡ１４とセパレータ２０との間のガス拡散層１２、１３の外側に額縁状のガスシール部材１６が配置され、各部品を積層した際にＭＥＡ１４とセパレータ２０との間のガスをシールする。

電解質膜１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜１１の表面には、触媒としての白金又は白金と他の金属からなる合金が担持されている。

アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１３は、ガス拡散電極である。これらは、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパなど、十分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。なお、本実施形態では、カーボンペーパを用いることとする。これは、カーボンクロス等に比べて強度が高い、比較的薄く成形可能、厚みを高い精度で管理することができる、といった理由による。

セパレータ２０は、十分な導電性と強度と耐食性とを有する材料により形成され、例えばカーボン材料をプレス成形することによって形成してもよいし、十分な耐食性を実現可能であれば金属等の他の材料によって形成してもよい。

セパレータ２０には、アノードガス拡散層１２との間には燃料ガス流路１７が、カソードガス拡散層１３との間には酸化剤ガス流路１８が形成されており、また、必要に応じて冷却媒体流路１９が形成されている。

ガスシール部材１６はシリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素等のゴム状弾性材料によって形成されている。

燃料電池スタック１は、前述のセル１０を所定数だけ積層したものの両端に集電板２、絶縁板３、エンドプレート４を配置し、これらとセル積層体の内部を貫通するように設けた貫通孔に図示しないテンションロッドを挿通し、テンションロッドの端部にナット３０を螺合して締結することによって形成される。

テンションロッドは剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、セル１０同士の電気的短絡を防止するために表面には絶縁の処理を施す。

集電板２には、緻密質カーボンや銅板等ガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。エンドプレート４は剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。また、２枚の集電板２にはそれぞれ出力端子２Ａが設けられており、スタック１で生じた起電力を出力可能となっている。

ただし、締結方法はタイロッドをスタック１内部に貫通する必要はなく、スタック１の外部でエンドプレート４同士をテンションロッドにより締め付ける機構であってもよい。

また、いずれか一方のエンドプレート４には、燃料ガス流路１７、酸化ガス流路１８、冷却媒体流路１９にそれぞれ連通する燃料ガス入口３１、燃料ガス出口３２、酸化剤ガス入口３３、酸化剤ガス出口３４、冷却水入口３５、冷却水出口３６が設けられている。

次に本実施形態のガス拡散層１２、１３とセパレータ２０との積層面周辺の形状およびガス拡散層１２の弾性係数について説明する。なお、アノードガス拡散層１２とセパレータ２０との積層面、カソードガス拡散層１３とセパレータ２０との積層面は同様の構造であるので、以下、アノードガス拡散層（以下、単にガス拡散層という）１２とセパレータ２０について説明する。また、燃料ガス流路１７、酸化剤ガス流路１８をガス流路２３という。

図４はガス拡散層１２とセパレータ２０の断面図であり、図４（ａ）は積層前、図４（ｂ）は積層後の様子を示す。図５は荷重に対する潰れやすさの特性を表す図であり、横軸に荷重、縦軸にガス拡散層１２の潰れ代をとったものである。

図４（ａ）に示すように、セパレータ２０のガス拡散層１２と接触する面には溝状のガス流路２３が設けられており、実際にガス拡散層１２と接触するのはリブ部２１の上面のみである。

ガス拡散層１２のリブ部２１に対向する位置には、セパレータ２０に向けて凸状のリブ面２２を設ける。

リブ面２２の成形は、例えば、ガス拡散層１２を構成する略均一な厚さのカーボンプレートを、ＭＥＡ１４を組み立てる前に積層時の厚さ、形状に近づけるために行う予備圧縮工程時に行う。凸状のリブ面２２に対応する凹状部分を設けた型を用いて予備圧縮を行えば、予備圧縮工程を利用してリブ面２２を成形することができる。

このようにして凸状のリブ面２２を設けると、予備圧縮時の圧縮率の違いによりリブ面２２と流路面２４とで後述する空孔率が異なり、これによりリブ面２２と流路面２４とで弾性係数が異なる。具体的には図５に示すようにリブ面２２の方が流路面２４に比べて潰れやすい特性となる。

したがって、ＭＥＡ１４を組み立てる際に、リブ面２２が潰れるた程度の荷重をかければ、リブ面２２はリブ部２１に当接しながら潰れてリブ部２１の表面形状に沿った形状となる。

これに対して、均一な厚さに予備圧縮したガス拡散層１２をセパレータ２０と積層する場合では、リブ面２２は予備圧縮によって既に空孔率が低くなっており、また、ガス拡散層１２を構成するカーボンペーパ自体が高い硬度を持つために、ＭＥＡ１４組み立て時に荷重をかけてもリブ面２２のリブ部２１の表面形状への追随性が低くなる。したがって、リブ面２２とリブ部２１とを確実に接触させるためには、リブ面２２をリブ部２１の表面形状に沿った形状に変形させる程度の高い荷重を与えなければならない。

また、本実施形態では上述したように相対的に弾性係数の低いリブ面２２が潰れる程度の荷重をかければよいので、ＭＥＡ１４組み立て時にかける荷重に応じてガス拡散層１２とセパレータ２０との接触面内にかかる面圧にばらつきがあり、相対的に高い面圧がかかる部分であっても、弾性係数の高い流路面２４が変形することはなく、流路面２４が変形して流路にはみ出すことを防止できる。これに対して均一な厚さに予備圧縮した場合には、Ｍｅａ１４組み立て時に高い荷重をかけることにより、前記接触面内で相対的に面圧が高くなる部分では、従来のガス拡散層１２とセパレータ２０の接触部の拡大図である図３に示すように、ガス拡散層１２が変形してガス流路２３にはみ出してしまうことがある。

つまり、本実施形態のようにリブ面２２を凸状に、かつ潰れやすく成形することによって、従来に比べて低い荷重でも確実にガス拡散層１２とセパレータ２０とを接触させることができ、かつガス拡散層１２が変形してガス流路２３にはみ出すことを防止できる。

また、リブ面２２は予備圧縮後は空孔率が低いが、セパレータ２０と積層してＭＥＡ１４を組み立てると、組み立て時の荷重によってリブ面２２が潰されてガス拡散層１２の厚さが略均一になるので、リブ面２２と流路面２４の空孔率が同等になる。つまり、セパレータ２０と積層した状態でガス拡散層１２全体のガス拡散性能等が均一になるので発電性能の低下を防止することができる。

なお、空孔率とは、単位体積当たりのカーボンペーパに含まれる空間の割合である。つまり、空孔率が小さければカーボンが密な状態を、大きければ疎な状態であることを表す。

以上により本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

セパレータ２０のリブ部２１に対向するガス拡散層１２のリブ面２２を、リブ面２２以外の部分に比べて相対的に潰れやすくすることによって、ガス拡散層１２のセパレータ２０への追随性の向上を図ることができるので、セパレータ２０とガス拡散層１２との接触面積を確保でき、接触抵抗の増大を防止し、燃料電池スタック１の発電性能の向上を図ることができる。また、ガス流路２３に対向する流路面２４を相対的に潰れにくくすることによって、ガス拡散層１２がガス流路２３にはみ出すことを防止できるので、リブ面２２近傍のガス拡散性能や排水性能の低下が抑制され、発電性能をより改善することができる。

従来から行っている予備圧縮工程においてリブ面２２を凸状に成形するので、新たな工程を設ける必要がなく、製造コストへの跳ね返りがない。

第２実施形態について説明する。

本実施形態を適用する燃料電池スタック１のガス拡散層１２は、基本的に第１実施形態と同様である。ただし、リブ面２２の弾性係数が異なる。

本実施形態では、ガス拡散層１２とセパレータ２０とを積層する際にかかる面圧分布を考慮してリブ面２２を成形することとする。

図６はガス拡散層１２のセル１０面内での面圧分布の一例を表す図である。図に示すように、外周に近い領域２６は中央に近い領域２７に比べて面圧が高くなっている。これは、セル１０を積層するためのテンションロッド、エンドプレート４等の構造部品や、ガス拡散層１２やセパレータ２０の機械的特性によるものである。

そこで、面圧が高い部分（領域２６）は、面圧が低い部分（領域２７）に比べて、同じ荷重がかけられた場合の潰れが小さくなるようにリブ面２２を成形する。より望ましくは、ガス拡散層１２とセパレータ２０とを積層してリブ面２２が潰れた状態で、領域２６と領域２７のリブ面２２とリブ部２１との接触面積が同程度になるように形成する。

これにより、図６に示すようにセル１０の面内で面圧分布のばらつきがあり、領域２７の面圧が低い場合であっても、領域２７のリブ面２２は接触抵抗を低く抑えるのに十分な程度潰れ、領域２６と同等の接触面積を確保することができ、ガス拡散層１２全体のガス拡散性能等が均一になるので発電性能の低下を防止することができる。また、領域２６は相対的に弾性係数が高いため面圧によって変形することがない。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、リブ面２２の弾性係数を、ガス拡散層１２とセパレータ２０との接触面内での面圧のばらつきに応じて設定するので、積層後のガス拡散層１２の空孔率をより一様に近づけることができ、ガス透過性を一様にすることができる。

第３実施形態について説明する。

図７に本実施形態の燃料電池スタック１の斜視図を示す。本実施形態の燃料電池スタック１は図１に示した燃料電池スタック１と基本的に同様であるが、ガス拡散層１２のリブ面２２が異なる。

図７の領域２８、２９では、ガス拡散層１２とセパレータ２０との接触面圧が異なる領域であり、領域２８は領域２９に比べて接触面圧が大きくなっている。

これは、前述したように、セル１０を積層するためのテンションロッド、エンドプレート４等の構造部品や、ガス拡散層１２やセパレータ２０の機械的特性によるものである。

そこで、本実施形態では、接触面圧の小さな領域２９のガス拡散層１２のリブ面２２を、接触面圧の大きな領域２８のガス拡散層１２のリブ面２２よりも潰れやすく成形する。

より望ましくは、スタック１を組み立てた状態で、領域２８、２９のリブ面２２とリブ部２１との接触面積が同程度になるようにする。

これにより、スタック１の長手方向で接触面圧のばらつきがあり、領域２９の面圧が低い場合であっても、領域２９のリブ面２２は接触抵抗を抑えるのに十分な程度潰れ、領域２８と同等の接触面積を確保することができ、ガス拡散層１２全体のガス拡散性能等が均一になるので、発電性能の低下を防止することができる。

なお、各セル１０の面内においても、第２実施形態と同様に接触面圧のばらつきに応じてリブ面２２の潰れやすさを異ならせる。

以上により本実施形態では、第１、２実施形態と同様の効果に加え、さらに、スタック１の長手方向（セル積層方向）の接触面圧のばらつきも吸収できるので、発電性能をより向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施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的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

第１実施形態の燃料電池スタックの斜視図である。セルの構造を説明するための図である。従来のガス拡散層とセパレータとの接触部分の拡大図である。第１実施形態のガス拡散層とセパレータとの接触面付近の概略図である。ガス拡散層の荷重−潰れ特性図である。第２実施形態のガス拡散層のセル面内荷重の分布例を表す図である。第３実施形態の燃料電池スタックの長手方向の面圧分布を表す図である。

符号の説明

１燃料電池スタック
２集電板
３絶縁板
４エンドプレート
１０セル
１１電解質膜
１２アノードガス拡散層
１３カソードガス拡散層
１４膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
１６ガスシール部材
１７燃料ガス流路
１８酸化剤ガス流路
１９冷却媒体流路
２０セパレータ
２１リブ部
２２リブ面
２３ガス流路
２４流路面

Claims

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ配置されるアノード電極およびカソード電極と、
前記各電極の外側に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外側に配置され、前記ガス拡散層と対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、
前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの隙間を保持して前記ガス拡散層の外側に額縁状に配置されるガスシール部材と、を積層して構成する燃料電池において、
前記ガス拡散層は、前記積層する前には前記反応ガス流路を画成するリブ部と対峙する部分の弾性係数が、前記反応ガス流路と対峙する部分の弾性係数よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
前記積層する前の前記ガス拡散層の前記リブ部と対峙する部分に、前記リブ部に向けて突出した凸部を設ける請求項１に記載の燃料電池。
前記凸部は前記積層する際にかかる荷重によって潰れ、ガス透過性が前記凸部以外の部分と略同等になる請求項２に記載の燃料電池。
前記凸部は前記積層する際にかかる荷重によって潰れ、前記ガス拡散層を構成するガス拡散性および導電性を有する部材の密度が前記凸部以外の部分と略同等になる請求項２または３に記載の燃料電池。
前記ガス拡散層は、前記積層する前にプレス成形による予備成形が行われており、
前記凸部は前記予備成形時に成形される請求項２〜４のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記積層する前の前記ガス拡散層の前記リブ部と対峙する部分の弾性係数は、前記単位燃料電池セルを積層した際に生じる単位燃料電池セルの面方向の荷重のばらつきに応じて異なり、高い荷重がかかる部分ほど弾性係数が高くなっている請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記積層する前の前記ガス拡散層の、前記リブ部と対峙する部分の弾性係数は、前記単位燃料電池セルを積層した際に生じる前記単位燃料電池セルの積層方向の荷重のばらつきに応じて異なり、高い荷重がかかる部分ほど弾性係数が高くなっている請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池。