JP2008004477A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性能の低下を抑制した燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜２とカソードセパレータ６との間に設けられ、空気をシールする圧縮ガスケット１１と、電解質膜２とアノードセパレータ５との間に設けられ、水素をシールする圧縮ガスケット１０と、を備え、圧縮ガスケット１１と電解質膜２を挟んで対向し、かつ水素導入マニホールド２０と水素流路７とを連通する連通路２５に隣接する圧縮ガスケット１０に連通路２５へ向けて突出する枝部３０ｂを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池とする）は一般的に、表面に各々燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を設けたアノードセパレータ及びカソードセパレータ、電極−電解質膜接合体（ＭＥＡ）のセル部材からなる単位セルを複数枚積層する事によって構成されている。

単位セル、または隣接する単位セル間には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が燃料電池からリークしないように、ゴム製などの圧縮ガスケットでシールする。

例えば燃料ガスを単位セルの発電部に導入するためのマニホールドから発電部へ供給する箇所には、圧縮ガスケットは設けられていないが、ＭＥＡを挟んで対向する箇所には、酸化剤ガスのリークを防止するために圧縮ガスケットが設けられている。このような場合には、圧縮ガスケットの反力によってＭＥＡが変形するため、圧縮ガスケットを十分に圧縮することが出来ず、圧縮ガスケットの潰れ代が目減りし、圧縮ガスケットによる酸化剤ガスのシール性が悪くなる。また、これによって圧縮ガスケットの劣化に対する余裕代が減少してシール寿命が低下する。一方、この目減り分を見込んで潰れ代を大きめに確保すると圧縮ガスケット部の高さを高くする必要があり、それに伴い単位セルの積層方向への厚さが厚くなり、燃料電池が大型化する等の問題が生じる。

このため、可能な限り単位セルの積層方向における圧縮ガスケットの配置を一致させて反力を相殺し、ＭＥＡの変形を抑制するとともに、圧縮ガスケットを設けた個所とＭＥＡを挟んで対向する圧縮ガスケットが設けられない箇所に対しては、リブなどを設けてＭＥＡの変形を抑制している。

また、圧縮ガスケットに枝部を持たせて、単位セルの積層方向へ一致させた圧縮ガスケットが、単位セルの積層方向と交差する方向へずれた場合にもＭＥＡの変形を防止可能にするものが、特許文献１に開示されている。
特開２００３−２１７６１６号公報

しかし、上記の発明では、圧縮ガスケットが、ＭＥＡを挟んだ位置で、圧縮ガスケットまたはその枝部とは対向しない場合には、ＭＥＡの変形量が大きくなり、圧縮ガスケットの潰れ代が少なくなり、ガスのシール性能が低下する、といった問題点がある。

また、潰れ代を確保するために圧縮ガスケットの厚さを厚くすると、単位セル積層方向における燃料電池の厚さが厚くなり、燃料電池が大型になる、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、ＭＥＡの変形を抑制し、圧縮ガスケットによる、例えば燃料ガスなどのシール性能を保持し、単位セルの積層方向における燃料電池の厚さが大きくなることを防止することを目的とする。

本発明では、電解質膜と、電解質膜に向かい合う面にガス流路を有する一対のセパレータと、ガス流路にガスを導入する導入マニホールドと、ガス流路から発電に使用されなかったガスを排出する排出マニホールドと、ガス流路と、導入マニホールドまたは排出マニホールドと、を連通する連通路と、電解質膜と、一対のセパレータとの間にそれぞれ配設し、ガスをシールする圧縮ガスケットと、電解質膜とセパレータとの間でガスをシールする第１の圧縮ガスケットと電解質膜を挟んで対向し、かつ連通路に隣接する第２の圧縮ガスケットから連通路へ突出した突出部と、を備える。そして、突出部と、電解質膜を挟んで対向する第１の圧縮ガスケットと、によって電解質膜の一部を挟持する。

本発明によると、第１の圧縮ガスケットと電解質膜を挟んで対向し、かつ連通路と隣接する箇所に第２の圧縮ガスケットから連通路へ突出する突出部を備え、第１の圧縮ガスケットと突出部とによって、電解質膜の一部を挟持することで、第１の圧縮ガスケットの反力による電解質膜の変形を抑制することで、第１の圧縮ガスケット潰れ代を確保し、ガスのシール性能を保持し、燃料電池を小型にすることができる。

本発明の第１実施形態の単位セル１を図１の概略構成図を用いて説明する。図１は単位セルの一部を示す断面図である。なお、図１においては説明のためガス拡散層とアノードセパレータ４、カソードセパレータ５との間に隙間を設けている。燃料電池は単位セル１を複数枚積層して構成する。

単位セル１は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２と、単位セル１の発電反応面となる電解質膜２の両主面に設けたガス拡散層（以下、ＧＤＬとする）３と、ＧＤＬ３を設けていない電解質膜２の両主面に設けた樹脂プレート４と、一方のＧＤＬ３に水素を供給する水素流路７を有するアノードセパレータ（セパレータ）５と、もう一方のＧＤＬ２に空気を供給する空気流路８を有するカソードセパレータ（セパレータ）６と、を備える。アノードセパレータ５と樹脂プレート４との間には、単位セル１の外部への水素のリークを防止し、水素をシールする圧縮ガスケット（第２の圧縮ガスケット）１０を備え、またカソードセパレータ６との間には、単位セル１の外部への空気のリークを防止し、空気をシールする圧縮ガスケット（第１の圧縮ガスケット）１１を備える。

電解質膜２は、例えばナフィオン（登録商標）などによって構成する。

ＧＤＬ３は、例えばカーボンペーパなどで構成され、電解質膜２と接する側に例えば白金などの触媒を有する触媒層（図示せず）を備える。なお、以下において、ＧＤＬ３を設けた領域を発電反応領域１２（４４）とする。

樹脂プレート４は、発電反応領域１２よりも外側の電解質膜２を挟持し、ＧＤＬ３よりも剛性の高い樹脂で構成される。

アノードセパレータ５について図２を用いて説明する。図２は電解質膜２から見た正面図の一部である。図２においては発電反応領域１２に設ける水素流路７は省略する。

アノードセパレータ５は、例えばカーボングラファイトなどで構成するカーボンセパレータである。

アノードセパレータ５は、水素流路７へ単位セル１の外部から水素を導入する水素導入マニホールド（導入マニホールド）２０と、空気流路８へ単位セル１の外部から空気を導入する空気導入マニホールド（導入マニホールド）２１と、単位セル１を冷却する冷却水が流れる冷却水導入マニホールド２２と、を備える。また、図示しないが、水素流路７から単位セル１の発電で使用されなかった水素を単位セル１の外部へ排出する水素排出マニホールド（排出マニホールド）と、空気流路８から単位セル１の外部へ単位セル１の発電反応に使用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド（排出マニホールド）と、冷却水を単位セル１の外部へ排出する冷却水排出マニホールドと、を備える。

また、水素導入マニホールド２０と水素流路７とを連通する連通部（連通路）２５には、複数のリブ２６を備える。また詳しくは図示しないが、水素流路７と水素排出マニホールドとを連通する連通部（連通路）にも、複数のリブを備える。なお、リブ２６によって、水素流路７へ供給される水素の流れを整流することができる。

ここで、アノードセパレータ５のリブ２６近傍の圧縮ガスケット１０について図２、図３（ａ）、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は図２におけるＡ領域の部分拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向から見た図である。

アノードセパレータ５に設けた圧縮ガスケット１０は、単位セル１から水素がリークしないように、アノードセパレータ５の外周に沿って設けた外周部３０と、空気および冷却水が水素流路７へリークしないように、または水素が空気導入マニホールド２１、冷却水導入マニホールド２２、空気排出マニホールド、冷却水排出マニホールドへリークしないように各マニホールドの周囲に設けた分離部３１と、から構成する。これによって、単位セル１の外部への水素のリークを防止し、水素と空気、または冷却水との混合を防止することができる。

外周部３０は、アノードセパレータ５に当接する平板状の台座部３０ｄと、樹脂プレート４に当接する突部（シール部）３０ａと、を備え、さらにアノードセパレータ５の連通部２５に連接する箇所において、圧縮ガスケット１０の外周部３０は、リブ２６の方向へ突出する枝部（突出部）３０ｂを備える。また、分離部３１も外周部３０と同様に台座部（図示せず）と突部（シール部、図示せず）とを備える。

枝部３０ｂは、リブ２６の方向へ向かうにつれて高さが高くなり、枝部３０ｂの先端部３０ｃの高さは突部３０ａよりも高い。これによって単位セル１としてアノードセパレータ５などを積層した場合に、詳しくは後述するカソードセパレータ６の圧縮ガスケット１１の分離部４３の反力に対する先端部３０ｃの抗力を大きくし、先端部３０ｃにおける電解質膜２の挟持力を大きくし、電解質膜２の変形を抑制することができる。また、枝部３０ｂの先端部３０ｃとなるにつれて、枝部３０ｂの幅を広くしても良く、これにより先端部３０ｃにおける電解質膜２の挟持力を大きくし、電解質膜２の変形を抑制することができる。枝部３０ｂの先端部３０ｃが外周部３０の台座部３０ｄの幅と一致するように、つまり台座部３０ｄの端部と一致するように、枝部３０ｂを配置する。端部３０ｃを台座部３０ｄの幅よりも小さくしても良い。

カソードセパレータ６について図４を用いて説明する。図４は電解質膜２から見た正面図の一部である。図４においては発電反応領域４４に設ける空気流路８は省略する。

カソードセパレータ６は、例えばカーボングラファイトなどで構成するカーボンセパレータである。

カソードセパレータ６は、空気流路８へ単位セル１の外部から空気を導入する空気導入マニホールド２１と、水素流路７へ単位セル１の外部から水素を導入する水素導入マニホールド２０と、単位セル１を冷却する冷却水が流れる冷却水導入マニホールド２２と、を備える。また、図示しないが、空気流路８から単位セル１の発電で使用されなかった空気を単位セル１の外部へ排出する空気排出マニホールドと、水素流路７から単位セル１の外部へ単位セル１の発電反応に使用されなかった水素を排出する水素排出マニホールドと、冷却水を単位セル１の外部へ排出する冷却水排出マニホールドと、を備える。

また、空気導入マニホールド２１と空気流路８とを連通する連通部（連通路）４０には、複数のリブ４１を備える。また詳しくは図示しないが、空気流路８と空気排出マニホールドとを連通する連通部にも、複数のリブを備える。なお、リブ４１によって空気流路８へ供給される空気の流れを整流することができる。

ここで、アノードセパレータ５のリブ２６近傍と電解質膜２を挟んで対峙する箇所のカソードセパレータ６の圧縮ガスケット１１について図４、図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は図４におけるＡ領域の部分拡大図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ方向から見た図である。

カソードセパレータ６に設けた圧縮ガスケット１１は、単位セル１から空気がリークしないように、カソードセパレータ６の外周に沿って設けた外周部４２と、水素および冷却水が空気流路８へリークしないように、または空気が水素導入マニホールド２０、冷却水導入マニホールド２２、水素排出マニホールド、冷却水排出マニホールドへリークしないように各マニホールドの周囲に設けた分離部４３と、から構成する。これによって、単位セル１の外部への空気のリークを防止し、空気と水素、または冷却水との混合を防止することができる。

外周部４２は、カソードセパレータ６に当接する台座部４２ｂと、樹脂プレート４に当接する突部（シール部）４２ａと、を備え、さらに詳しくは図示しないが、アノードセパレータ５と同様にカソードセパレータ６の連通部４０に隣接する箇所には枝部（突出部）を備える。また、分離部４３も外周部４２と同様に台座部４３ｂと突部（シール部）４３ａとを備える。

単位セル１においては、圧縮ガスケット１０と圧縮ガスケット１１とは、電解質膜２を挟んで対向するように配置されており、主に突部３０ａ、４２ａ、４３ａが圧縮され、水素または空気をシールする。

また、連通部２５においてはリブ２６を設けることで、電解質膜２を挟んで対向する突部４３ａを圧縮し、空気をシールする。しかし、リブ２６を設けていない箇所、特に連通部２５に隣接する圧縮ガスケット１０、例えば分離部４３の近傍においては、圧縮ガスケット１１の突部４３ａによる反力によって電解質膜２が連通部２５へ変形し、圧縮ガスケット１１の潰れ代が低減する。そのため空気のシール性能が低下する。

この実施形態では、圧縮ガスケット１１の突部４３ａと電解質膜２を挟んで対向し、かつ連通部２５に隣接する箇所において、連通部２５へ突出する枝部３０ｂを設けることで、枝部３０ｂと突部４３ａとによって電解質膜２を挟持し、図６に示すように圧縮ガスケット１１の突部４３ａの反力による電解質膜２の変形を抑制する。これによって、水素または空気のリークを防止する。図６は図２、４における領域Ａの断面図である。また、この実施形態では、枝部３０ｂの先端部３０ｃを突部３０ａよりも高くすることで、電解質膜２の変形をさらに防止することができる。

なお、この実施形態では、リブ２６と隣接する外周部３０に枝部３０ｂを設けたが、連通部２５の反対側に位置する箇所の分離部３１に連通部２５へ向けて突出する枝部を設けても良い。

ここでは、水素導入マニホールド２０と水素流路７とを連通する連通部２５において説明を行ったが、その他の連通部においても同様である。

なお、この実施形態では、ＧＤＬ３を設けた領域を発電反応領域１２とし、発電反応領域１２よりも外側の電解質膜２に樹脂プレート１４を設けたが、樹脂プレート１４を設けなくともよい。また、ＧＤＬ３を電解質膜２の両主面全体に設けても良い。この場合にも圧縮ガスケット１０、１１によってＧＤＬ３が潰されるので、ＧＤＬ３を介して水素、または空気が単位セル１の外部へリークするのを防止することができる。

単位セル１を冷却するための冷却水は、アノードセパレータ５の水素流路７を設けた面の背面側と、カソードセパレータ６の空気流路８を設けた面の背面側と、にそれぞれ冷却水流路（図示せず）を設ける。そして、冷却水流路と、冷却水導入マニホールド２２と冷却水排出マニホールドと、を連通して、冷却水流路に冷却水を導入、排出することで単位セル１を冷却する。冷却水流路と冷却水導入マニホールド２２、または冷却水排出マニホールドとを連通する連通路にも、連通路へ突出した枝部を有する圧縮ガスケットを用いることが望ましい。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

本発明を用いない場合の単位セルについて図７を用いて説明する。図７は本発明を用いない場合の単位セルにおける、この実施形態の単位セル１の領域Ａに該当する箇所の断面図である。なお、図７ではこの実施形態と同じ構成のものについては、同一の符号を付す。

本発明を用いない場合には、この実施形態の枝部３０ｂを有していないので、アノードセパレータ５のリブ２６を設けた箇所と電解質膜２を挟んで対峙するカソードセパレータ６の圧縮ガスケット１１の突部４３ａの反力によって、電解質膜２がアノードセパレータ５の方へ変形する。

この実施形態では、カソードセパレータ６の圧縮ガスケット１１と電解質膜２を挟んで対向する連通部２５に、連通部２５と隣接するアノードセパレータ５の圧縮ガスケット１０の外周部３０から連通部２５へ向けて突出する枝部３０ｂを備える。これによって、圧縮ガスケット１１の突部４３ａと、枝部３０ｂと、によって電解質膜２を挟持し、圧縮ガスケット１１の反力による電解質膜２の変形を抑制することができる。そのため、圧縮ガスケット１１の潰れ代の目減りを低減し、圧縮ガスケット１１のシール性能の低下を抑制することができる。また、単位セル１の積層方向における圧縮ガスケット１１の高さを低くしても、十分なシール性能を得ることができ、単位セル１を小型にすることができる。

枝部３０ｂの先端部３０ｃを台座部３０ｄの幅と略一致させることで、圧縮ガスケット１０の幅を拡大させる必要がなく、圧縮ガスケット１０を大きくせずに電解質膜２の変形を抑制することができる。

枝部３０ｂの先端部３０ｃの高さを先端となるにつれて高くすることで、単位セル１として積層した場合に、圧縮ガスケット１１の反力に対する先端部３０ｃの抗力を十分に確保することができ、先端部３０ｃにおける電解質膜２の変形を抑制することができる。

枝部３０ｂと突部３０ａとを同一の部材で構成することで、枝部３０ｂと突部３０ａとの圧縮特性を同一にすることができ、電解質膜２に係る力を容易に略均一にすることができ、電解質膜２の変形を抑制することができる。

次に本発明の第２実施形態について図８を用いて説明する。

図８は、この実施形態の単位セル５０において、第１実施形態の連通部２５近傍の断面図である。

この実施形態の電解質膜２とアノードセパレータ５との間に設ける圧縮ガスケット５１が、第１実施形態の圧縮ガスケット１０と構成が異なるものである。なお、第１実施形態と同様の構成については第１実施形態と同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。また、説明のため単位セル５０の構成部材間には隙間を設けている。

圧縮ガスケット５１は、連通部２５に設けたリブ２６へ向けて突出する枝部５２を備える。枝部５２の高さは、圧縮ガスケット５１の外周部３０の突部３０ａと同じ高さとする。

なお、枝部５２の構成については、水素導入マニホールドと水素流路とを連通させる連通部２５について説明したが、これに限られることはなく、例えば水素流路と水素排出マニホールドとを連通する連通部にも同様の構成を用いることができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、圧縮ガスケット５１の連通部２５へ突出する枝部５２の高さを外周部３０の突部３０ａと同じ高さとすることで、電解質膜２の変形を抑制し、圧縮ガスケット５０の製造を容易とし、製造コストを抑制することができる。

次に本発明の第３実施形態について図９を用いて説明する。

図９は、この実施形態の単位セル６０において、第１実施形態の連通部２５近傍の断面図である。また、説明のため単位セル６０の構成部材間に隙間を設けている。

この実施形態では、圧縮ガスケット１０の台座部３０ｄを樹脂プレート４に当接させ、突部３０ａをアノードセパレータ５に当接させる。また、圧縮ガスケット１１の台座部４２ｂ、４３ｂを樹脂プレート４に当接させ、突部４２ａ、４３ａをカソードセパレータ６に当接させる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、圧縮ガスケット１０の台座部３０ｄを樹脂プレート４に当接させ、突部３０ａをアノードセパレータ５に当接させ、圧縮ガスケット１１の台座部４２ｂ、４３ｂを樹脂プレート４に当接させ、突部４２ａ、４３ａをカソードセパレータ６に当接させる。これによって、単位セル６０を構成した場合に、圧縮ガスケット１０と圧縮ガスケット１１とが、積層方向とは交差する方向へずれた場合でも、比較的面積が広い台座部４２ｂ、４３ｂを樹脂プレート４に当接させるので、電解質膜２の変形を抑制することができる。

また、電解質膜２と比較して、比較的剛性の高いアノードセパレータ５、カソードセパレータ６に突部３０ａ、４２ａ、４３ａをそれぞれ当接させることで、単位セル６０を構成した場合に、圧縮ガスケット１０と圧縮ガスケット１１とが、積層方向とは交差する方向へずれた場合でも、シール性能を確保し、水素、または空気をリークを抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第１実施形態のアノードセパレータを電解質膜から見た正面図である。 本発明の第１実施形態のアノードセパレータの領域Ａの部分拡大図である。 本発明の第１実施形態のカソードセパレータを電解質膜から見た正面図である。 本発明の第１実施形態のカソードセパレータの領域Ａの部分拡大図である。 本発明の第１実施形態の領域Ａにおける断面図である。 本発明の第１実施形態を用いない場合の断面図である。 本発明の第２実施形態の単位セルの一部を示す断面図である。 本発明の第３実施形態の単位セルの一部を示す断面図である。

符号の説明

１、５０、６０ 単位セル
２ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
５ アノードセパレータ（セパレータ）
６ カソードセパレータ（セパレータ）
７ 水素流路（ガス流路）
８ 空気流路（ガス流路）
１０、１１、５１ 圧縮ガスケット
２０ 水素導入マニホールド（導入マニホールド）
２１ 空気導入マニホールド（導入マニホールド）
２５、４０ 連通部
２６、４１ リブ
３０、４２ 外周部
３０ａ、４２ａ、４３ａ 突部（シール部）
３０ｂ、５２ 枝部（突出部）
３０ｃ 先端部
３０ｄ、４２ｂ、４３ｂ 土台部
３１、４３ 分離部

Claims (8)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜に向かい合う面にガス流路を有する一対のセパレータと、
   前記ガス流路にガスを導入する導入マニホールドと、
   前記ガス流路から発電に使用されなかった前記ガスを排出する排出マニホールドと、
   前記ガス流路と、前記導入マニホールドまたは前記排出マニホールドと、を連通する連通路と、
   前記電解質膜と、一対の前記セパレータとの間にそれぞれ配設し、前記ガスをシールする圧縮ガスケットと、
   前記電解質膜と前記セパレータとの間で前記ガスをシールする第１の前記圧縮ガスケットと前記電解質膜を挟んで対向し、かつ前記連通路に隣接する第２の前記圧縮ガスケットから前記連通路へ突出した突出部と、を備え、
   前記突出部と、前記電解質膜を挟んで対向する前記第１の前記圧縮ガスケットと、によって前記電解質膜の一部を挟持することを特徴とする燃料電池。
2. 前記第２の前記圧縮ガスケットは、
   略平板状の台座部と、
   前記台座部に連結し、前記台座部よりも幅が狭いシール部と、を備え、
   前記連通路へ突出する前記突出部の先端が、前記台座部の幅方向の端部と略一致することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記突出部は、前記先端となるにつれて前記電解質膜を挟持する挟持力が大きくなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記突出部は、前記先端となるにつれて幅が広くなることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
5. 前記台座部は、前記セパレータと当接することを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記シール部は、前記セパレータと当接することを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 前記連通路は、前記ガスの流れ方向と平行に複数のリブを備え、
   前記突出部は、前記第２の前記圧縮ガスケットと前記リブとの間に設けることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
8. 前記第２の前記圧縮ガスケットと前記突出部とは、同一部材であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池。