JP2008066242A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路を低廉且つ好適に薄型化し得る燃料電池を提供する。
【解決手段】ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂの一辺縁に、同種のガスを供給するための複数の給気用マニホールド孔１１ａ，１１ｃを形成し、且つ、その対向辺縁に沿って、各給気用マニホールド孔１１ａ，１１ｃと夫々対をなすガスを排気するための複数の排気用マニホールド孔１１ｂ，１１ｄを形成する。そして、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂの中央部に、一辺縁の各給気用マニホールド孔１１ａ，１１ｃを、夫々対をなす対向辺縁の排気用マニホールド孔１１ｂ，１１ｄと連通し、且つ、該一辺縁と略平行な方向に複数回折り返して略均一な蛇行幅で蛇行する蛇行状ガス流路２２ａ，２２ｂを、該一辺縁と略平行な方向に複数並成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車や携帯端末等の電源に用いられる燃料電池に関する。

燃料電池は、水素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に生じる化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、クリーンで発電効率の高いシステムとして注目されている。こうした燃料電池の中で固体高分子型と呼ばれるものは、比較的低温で作動することから自動車や携帯電話等への利用が期待されている。

固体高分子型燃料電池は、イオン交換性高分子膜を電解質膜として用いるものであって、触媒層とガス拡散導電層とからなる一対の電極（ガス拡散電極）を電解質膜の両面に接合してなる膜電極複合体を備えている。一般的な固体高分子型燃料電池では、この膜電極複合体を、溝状のガス流路を表面に有するセパレータで挟んで積層することにより、燃料電池の主要部となるスタックを構成する。

固体高分子型燃料電池の中では、電解質膜にフッ素系高分子膜を採用したものが、長い間研究されてきた。しかし、フッ素系高分子膜を用いた燃料電池は、解決困難な問題を幾つか抱えており、近年、新たな電解質膜として、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）系高分子膜を用いた燃料電池が注目されている（例えば特許文献１）。フッ素系高分子膜を用いた燃料電池が８０℃程度で作動するのに対し、ＰＢＩ系高分子膜を用いた燃料電池は比較的高温（約１６０℃）で作動する。このため、かかる燃料電池では、陰極側で生じる生成水を水蒸気として排出することができ、生成水によってガス流路が閉塞されるおそれが少ない。また、触媒が被毒するおそれもない。さらには、フッ素系高分子膜は、加湿状態でなければ十分なプロトン伝導性を発揮しないのに対し、ＰＢＩ系電解質膜は加湿なしでも十分なプロトン伝導性を発揮するため、湿度管理の手間も省くことができる。

電解質膜をフッ素系高分子膜からＰＢＩ系電解質膜に替える場合、セパレータ等の周辺部材も電解質膜に適した構成に変更することが求められる。例えば、ＰＢＩ系高分子膜を用いた燃料電池では、フッ素系高分子膜の燃料電池よりもガス流路の厚みを薄くして、スタックを小型化、高密度化することが求められている。すなわち、フッ素系高分子膜を用いた燃料電池は、作動温度が比較的低いため、ガス流路がある程度の厚みをもっていないと、加湿用の水分や、生成水によってガス流路が閉塞される危険性が大きかったが、上述のように、ＰＢＩ系高分子膜を用いた燃料電池では、ガス流路を流れる水分は水蒸気となっているため、ガス流路の厚みが薄くてもガス流路が閉塞される危険性が少ないためである。

ガス流路を低廉に薄型化する構成として、膜電極複合体と平板状のセパレータとの間に、ガス流路を構成する溝孔が打ち抜かれた矩形板状のガス流路構成部材を配設する構成が提案されている（特許文献２参照）。かかる構成では、セパレータの表面にガス流路を切削加工する必要がないため、寸法誤差の少ないガス流路を低コストで製造することができる。

特表平１１−５０３２６２号公報 特開２０００−１２３８５０号公報

ところで、従来の燃料電池におけるガス流路の平面形状は、直線状タイプと蛇行状タイプの二種類がある。直線状タイプは、図６に示すように、一辺縁部の給気用マニホールド孔７１から対向辺縁部の排気用マニホールド孔７１へ向かって、直線状のガス流路７３が平行に形成されたものである。蛇行状タイプは、図７に示すように、一辺縁部の給気用マニホールド孔７５から対向辺縁部の排気用マニホールド孔７５へ向けてガス流路７６が蛇行状に形成されたものである。

このような、ガス流路の平面形状は、一般的にセパレータの表面に切削加工されるものである。しかしながら、かかるガス流路の平面形状を、上述のガス流路構成部材を用いて実現しようとした場合には幾つか問題が生じる。

例えば、図６に示す、直線状タイプのガス流路７３を、ガス流路構成部材を打ち抜くことによって形成しようとすると、隣接するガス流路７３の間を仕切る仕切り部分ａが周辺部と分離してしまうため、かかる仕切り部分ａを別途セパレータに固定しなければならない。

また、図７に示す、蛇行状タイプのガス流路７６を、ガス流路構成部材を打ち抜くことによって形成しようした場合、ガス流路７６を蛇行状に区画する仕切り部分ｂが、周辺部から面方向に沿って細長く突出することとなり、かかる仕切り部分ｂが外力によって撓み易いという欠点がある。特に、ガス流路を薄くするためにガス流路構成部材を薄くすればするほど、かかる仕切り部分ｂは変形し易くなり、ガス流路７６の形状が変形するおそれが大きくなる。

本発明はかかる現状に鑑みて為されたものであり、ガス流路の薄型化に適した燃料電池の提供を目的とする。

本発明は、膜電極複合体と平板状のセパレータとの間に、ガス流路を構成する溝孔が打ち抜かれた矩形板状のガス流路構成部材が配設された燃料電池であって、前記ガス流路構成部材には、その一辺縁に沿って、同種のガスを供給するための複数の給気用マニホールド孔が形成され、且つ、その対向辺縁に沿って、該給気用マニホールド孔と夫々対をなす同数の排気用マニホールド孔が略対向位置に形成されており、さらに、ガス流路構成部材の膜電極複合体と当接する部位内には、一辺縁の各給気用マニホールド孔を、夫々対をなす対向辺縁の排気用マニホールド孔と連通し、且つ、該一辺縁と略平行な方向に複数回折り返して略均一な蛇行幅で蛇行する蛇行状ガス流路が、該一辺縁に沿って複数並成されていることを特徴とする燃料電池である。

かかる構成にあっては、ガス流路構成部材の中央に並成される複数のガス流路が、夫々別のマニホールド孔と連通し、且つ、相互に独立しているため、ひとつながりのガス流路構成部材によってガス流路を構成できる。したがって、本発明にあっては、ガス流路構成部材をセパレータや膜電極複合体と容易に積層することができ、スタックを簡単に製造できる。

また、かかる構成にあっては、蛇行状のガス流路が、ガス流路の蛇行方向と同じ方向に並成されることとなるため、各ガス流路の蛇行幅が比較的短いものとなる。例えば、二本のガス流路が形成されていれば、ガス流路の蛇行幅は、ガス流路が一本の場合に比べて半分の蛇行幅となる。また、ガス流路が四本であれば、ガス流路の蛇行幅は一本の場合の四分の一となる。ガス流路の蛇行幅が短くなれば、蛇行状のガス流路を区画するガス流路構成部材の仕切り部分は、当然に、その突出長さが短いものとなる。したがって、本発明では、ガス流路構成部材が薄いものであっても、当該仕切り部分が撓み難いという利点がある。

また、かかる構成にあっては、相互に独立した複数のガス流路によって、同種のガスを膜電極複合体に供給するため、一本のガス流路によって膜電極複合体にガスを供給する構成に比べて、一本ごとのガス流路が長さが短いものとなる。このため、ガス流路の終端部分において燃料ガスや酸化剤ガスが欠乏するといった不具合が生じにくい。

また、かかる構成にあっては、燃料ガスや酸化剤ガスが一辺縁側から対向辺縁に向けて一様に流れるため、ガス流路を流れるガスが、ガス拡散層を介して隣接するガス流路に流れ込んでガスの流れが不均一になるといった問題が生じ難い。すなわち、上流側ガス流路と下流側ガス流路とを隣接させた場合、二つのガス流路でガスの圧力差が生じていることが多く、ガス拡散層を介して上流側ガス流路から下流側ガス流路へガスが流れ込み、途中のガス流路にはあまりガスが流れないといった問題が生じるが、本発明に係るガス流路ではそのような問題が生じにくい。なお、加湿を要する電解質膜に対してこのようなガス流路形状を採用すると、ガス流路の上流側と下流側の間で電解質膜の加湿具合に差ができ易いといった問題が生じるが、加湿不要のＰＢＩ系電解質膜を用いる燃料電池であれば、かかるガス流路形状を採用しても問題は生じない。

本発明の燃料電池において、ガス流路構成部材の構成材料は特に限定されないが、例えば、カーボンペーパーや膨張黒鉛シート、ステンレス板などが挙げられる。特に、ガス流路構成部材の材質としては、膨張黒鉛シートが好適である。また、本発明の燃料電池において、セパレータの構成材料は特に限定されないが、比較的低廉で、加工し易い膨張黒鉛シートやステンレス板などが好適である。

また、本発明の燃料電池は、作動温度が１２０〜２００℃の範囲内であることが好適である。かかる作動温度であれば、生成水を水蒸気として容易に排出できるため、ガス流路を薄型化してもガス流路が閉塞し難いためである。特に、本発明の燃料電池の電解質膜としては、ＰＢＩ系高分子膜が好適である。

以上に述べたように、本発明の燃料電池によれば、ガス流路構成部材を用いて、厚みの薄いガス流路を好適に形成することが可能であり、燃料電池のスタックを、低廉に、小型化・高出力化することができる。

また、本発明のガス流路形状では、隣接するガス流路間でガスの短絡が生じ難いという利点もある。また、一本一本のガス流路が比較的短いものであるため、各ガス流路の終端部で燃料ガスや酸化剤ガスが欠乏しにくいという利点もある。

また、本発明の燃料電池が１２０〜２００℃で作動するものである場合には、ガス流路形状の薄さを生かした、好適な燃料電池を実現できる。

本発明の実施形態を、以下の実施例に従って説明する。

本実施例の燃料電池１は固体高分子型燃料電池であり、膜電極複合体３やセパレータ４を積層してなるスタック８を主体とする。スタック８は、図１に示すように、上下のエンドプレート９ａ，９ｂにより挟持され、ボルト６０，６０とナット６１，６１により締結される。各エンドプレート９ａ，９ｂとスタック８の間には、スタック８の側方に突出する導電性の集電板１０，１０が介装される。この集電板１０とエンドプレート９ａ，９ｂとは、図示しないガスケットにより絶縁されており、集電板１０の突出部に端子を接続することにより、スタック８で発電される電力を取り出し得るようになっている。

また、図１中、上側のエンドプレート９ａには、燃料ガス導入口１３ａと酸化剤ガス導入口１３ｃが配設され、下側のエンドプレート９ｂには、燃料ガス排出口１３ｂと酸化剤ガス排出口１３ｄが形成される。これらの導入口１３ａ，１３ｃと排出口１３ｂ，１３ｄは、スタック８の辺縁部を厚み方向に貫通するマニホールド孔１１ａ〜１１ｄ（図２参照）とそれぞれ連通している。すなわち、かかる構成にあっては、図示しないガス供給排出装置から供給される燃料ガス（水素）や酸化剤ガス（空気）が、各導入口１３ａ，１３ｃを介してスタック８内に流入し、未反応の燃料ガスや酸化剤ガスが、各排出口１３ｂ，１３ｄからスタック外へ流出し、ガス供給排出装置によって回収されることとなる。

スタック８は、図２に示すように、断面矩形状をなすものであり、矩形枠状のガスケット５により囲繞される膜電極複合体３と、薄板状のガス流路構成部材１８ａ，１８ｂと、薄板状のセパレータ４とを交互に積層することにより構成される。ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂは、後述するように、燃料ガス流路２２ａを構成する燃料ガス流路構成部材１８ａと、酸化剤ガス流路２２ｂを構成する酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの二種類があり、セパレータ４と膜電極複合体３の陽極側（図２中、上側）との間には燃料ガス流路構成部材１８ａが介装され、セパレータ４と膜電極複合体３の陰極側（図２中、下側）との間には酸化剤ガス流路構成部材１８ｂが介装される。

ガスケット５、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂ、及びセパレータ４は、略同じ矩形の外縁形状をなしており、夫々の辺縁部には、円形状の位置決め孔１２が厚み方向に複数貫設されている。これらの位置決め孔１２に図示しない位置決め杆を挿通することにより、ガスケット５、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂ、及びセパレータ４は整一に積層される。

また、図２，３に示すように、ガスケット５、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂ、及びセパレータ４の辺縁部には、長円形状のマニホールド孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが厚み方向に貫設されており、積層状態において、各マニホールド孔１１ａ〜１１ｄが積層方向に一致するようになっている。これらのマニホールド孔１１ａ〜１１ｄは、スタック８の各辺縁部に４つずつ設けられ、各辺縁に沿って配列されている。

スタック８の長尺な一辺縁部に形成される４つのマニホールド孔１１ａは、燃料ガス給気用マニホールド孔１１ａである。各燃料ガス給気用マニホールド孔１１ａは、前記燃料ガス導入口１３ａと連通し、反応前の燃料ガスがこのマニホールド孔１１ａを通過する。そして、当該一辺縁部の対向辺縁部には、４つの燃料ガス排気用マニホールド孔１１ｂが、各燃料ガス給気用マニホールド孔１１ａと対をなすように設けられる。各燃料ガス排気用マニホールド孔１１ｂは、前記燃料ガス排出口１３ｂと連通し、未反応の燃料ガスがこのマニホールド孔１１ｂを通過する。

スタック８の短尺な一辺縁部に形成される４つのマニホールド孔１１ｃは、酸化剤ガス給気用マニホールド孔である。各酸化剤ガス給気用マニホールド孔１１ｃは、前記酸化剤ガス導入口１３ｃと連通し、反応前の酸化剤ガスがこのマニホールド孔１１ｃを通過する。そして、当該一辺縁部の対向辺縁部には、４つの酸化剤ガス排気用マニホールド孔１１ｄが、各酸化剤ガス給気用マニホールド孔１１ｃと対をなすように設けられる。各酸化剤ガス排気用マニホールド孔１１ｄは、前記酸化剤ガス排出口１３ｄと連通し、未反応の酸化剤ガスがこのマニホールド孔１１ｄを通過する。

膜電極複合体３は、矩形の電解質膜の両面に、陽極と陰極を構成する一組のガス拡散電極を接合してなるものである。電解質膜としたは、公知のＰＢＩ系電解質膜を好適に用いることができる。また、ガス拡散電極としては、カーボンペーパーからなるガス拡散層と触媒層とからなる公知のものを用い得る。

ガスケット５は、図２，３に示すように、膜電極複合体３と略同じ厚みをなす絶縁樹脂製の枠状薄片であり、その中央部には、膜電極複合体３を内部に密嵌させ得る枠孔が設けられている。上述のように、このガスケット５の各辺縁部には、マニホールド孔１１ａ〜１１ｄ及び位置決め孔１２が貫設される。なお、このガスケット５は、既存の固体高分子型燃料電池のものを好適に用い得るため詳細な説明は省略する。

セパレータ４は、図３に示すように、矩形状の膨張黒鉛シートからなるものであり、その厚さは数百μｍ程度である。上述のように、このセパレータ４の辺縁部には、マニホールド孔１１ａ〜１１ｄ及び位置決め孔１２が貫設される。これらは既存のパンチツール等を用いて打ち抜くことにより簡単に形成できる。セパレータ４の中央部は円滑な平面状をなしており、貫通孔も溝も形成されていない。かかるセパレータ４の中央部によって、ガス流路２２ａ，２２ｂの底部が塞がれることとなる。

以下に、本発明の要部に係るガス流路構成部材について説明する。

各ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂは、セパレータ４と略同形、同厚の、矩形状の膨張黒鉛シートからなる。図３〜５に示すように、各ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂの辺縁部には、マニホールド孔１１ａ〜１１ｄ及び位置決め孔１２が厚み方向に複数貫設されている。各ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂの中央の矩形領域は、膜電極複合体３と当接することとなる部位（以下、電極当接部）１７ａ，１７ｂを構成する。燃料ガス流路構成部材１８ａの電極当接部１７ａには燃料ガス流路２２ａが貫通状に形成され、酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの電極当接部１７ｂには酸化剤ガス流路２２ｂが貫通状に形成される。なお、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂのマニホールド孔１１ａ〜１１ｄやガス流路２２ａ，２２ｂは、既存のパンチツールを用いて打ち抜き加工を行うことにより、簡単に形成できる。

図４に示すように、燃料ガス流路構成部材１８ａには、対向状に対をなす燃料ガス給気用マニホールド孔１１ａと燃料ガス排気用マニホールド孔１１ｂとを夫々連通する４本の燃料ガス流路２２ａが形成されている。各燃料ガス流路２２ａは、燃料ガス流路構成部材１８ａの長尺辺縁と平行な方向に複数回折り返してなる、略均一な蛇行幅で蛇行する流路である。各燃料ガス流路２２ａは、相互に交わることなく、燃料ガス流路構成部材１８ａの長尺辺縁と略平行な方向に並成されている。また、夫々の流路幅や、蛇行形状は相互に類似し、各燃料ガス流路２２ａによって燃料ガスが均一に供給されるようになっている。具体的には、電極当接部１７ａは、燃料ガス流路構成部材１８ａの長尺方向に沿って短冊形状に４分割されて、夫々の短冊形状領域を各燃料ガス流路２２ａが略隙間なく、蛇行状に通過することとなる。

かかる構成によれば、燃料ガス導入口１３ａ（図１参照）を介して供給される燃料ガス（水素）は、４本の燃料ガス給気用マニホールド孔１１ａを通過して、各燃料ガス流路構成部材１８ａの異なる燃料ガス流路２２ａに流入し、膜電極複合体３の陽極側へと供給される。そして、反応済みガスは、各燃料ガス流路２２ａと連通する燃料ガス排気用マニホールド孔１１ｂへ流出し、燃料ガス排出口１３ｂから排出されることとなる。

同様に、酸化剤ガス流路構成部材１８ｂには、図５に示すように、対向状に対をなす酸化剤ガス給気用マニホールド孔１１ｃと酸化剤ガス排気用マニホールド孔１１ｄとを夫々連通する４本の酸化剤ガス流路２２ｂが形成されている。各酸化剤ガス流路２２ｂは、酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの長尺辺縁と平行な方向に複数回折り返してなる、略均一な蛇行幅で蛇行する流路である。各酸化剤ガス流路２２ｂは、相互に交わることなく、酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの長尺辺縁と略平行な方向に並成される。また、夫々の流路幅や、蛇行形状は相互に類似し、各酸化剤ガス流路２２ｂによって酸化剤ガスが均一に供給されるようになっている。具体的には、電極当接部１７ｂは、酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの長尺方向に沿って短冊形状に４分割されて、夫々の短冊形状領域を各酸化剤ガス流路２２ｂが略隙間なく、蛇行状に通過することとなる。

かかる構成によれば、酸化剤ガス導入口１３ｃ（図１参照）を介して供給される酸化剤ガス（空気）は、４本の酸化剤ガス給気用マニホールド孔１１ｃを通過して、各酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの異なる酸化剤ガス流路２２ｂに流入し、膜電極複合体３の陰極側へと供給される。そして、反応済みガスは、各酸化剤ガス流路２２ｂと連通する酸化剤ガス排気用マニホールド孔１１ｄへ流出し、酸化剤ガス排出口１３ｄから排出されることとなる。

かかる構成にあっては、各ガス流路２２ａが独立しており、また、各ガス流路２２ａ，２２ｂは、夫々異なるマニホールド孔１１ａ〜１１ｄと連通しているため、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂをひとつながりの板状部材によって構成することができ、簡単な打ち抜き加工によってガス流路構成部材を設けることができる。

また、かかるガス流路構成部材１８ａ，１８ｂにあっては、各ガス流路２２ａ，２２ｂの蛇行幅が、電極当接部１７ａ，１７ｂの幅よりも短いため、ガス流路２２ａ，２２ｂを蛇行状に仕切る仕切り部分ｃ（図４，５参照）の突出長さが短くてよい。すなわち、当該仕切り部分ｃが短い分、撓み難く、ガス流路２２ａ，２２ｂが変形し難い。

また、ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂは、打ち抜き加工によって容易に製造できるため、切削加工によってセパレータ表面にガス流路を形成する構成に比べて、低コストで、精密な寸法のガス流路を形成することができる。したがって、本実施例の燃料電池によれば、比較的薄いガス流路を低廉に製造できる。

また、相互に独立した複数本のガス流路２２ａ，２２ｂを介して燃料ガスや酸化剤ガスを膜電極複合体３に供給しているため、一本のガス流路でガスを供給する構成に比べて、一本当たりのガス流路を短くすることができ、これにより、ガス流路の終端部分における燃料ガスや酸化剤ガスの枯渇が生じにくいといった利点もある。

なお、本発明における燃料電池は、上記実施例の形態に限らず本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、上記実施例では、各ガス流路構成部材には４本の蛇行状ガス流路が並成されているが、本発明に係るガス流路構成部材は、蛇行状ガス流路が２本並成されたものでもよいし、１０本以上の蛇行状ガス流路が並成されたものであってもよい。また、各ガス流路構成部材に並成されるガス流路は略同じ形状であるが、その溝幅や蛇行幅は必ずしも同一でなくてもよい。

また、膜電極複合体やセパレータ、ガスケット等の構成は、ガス流路構成部材と調和し得る範囲内で、適宜変更できる。

燃料電池１の側面図である。 スタック８の分解斜視図である。 膜電極複合体３とセパレータ４，ガス流路構成部材１８ａ，１８ｂの分離斜視図である。 燃料ガス流路構成部材１８ａの平面図である。 酸化剤ガス流路構成部材１８ｂの平面図である。 従来のガス流路形状を示すセパレータ４ａの平面図である。 従来の別のガス流路形状を示すセパレータ４ｂの平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ 膜電極複合体
４，４ａ，４ｂ セパレータ
５ ガスケット
８ スタック
９ａ，９ｂ エンドプレート
１０ 集電板
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ マニホールド孔
１２ 位置決め孔
１７ａ，１７ｂ 電極当接部
１８ａ 燃料ガス流路構成部材
１８ｂ 酸化剤ガス流路構成部材
２２ａ 燃料ガス流路
２２ｂ 酸化剤ガス流路

Claims (2)

1. 膜電極複合体と平板状のセパレータとの間に、ガス流路を構成する溝孔が打ち抜かれた矩形板状のガス流路構成部材が配設された燃料電池であって、
   前記ガス流路構成部材には、その一辺縁に沿って、同種のガスを供給するための複数の給気用マニホールド孔が形成され、且つ、その対向辺縁に沿って、該給気用マニホールド孔と夫々対をなす同数の排気用マニホールド孔が略対向位置に形成されており、
   さらに、ガス流路構成部材の膜電極複合体と当接する部位内には、一辺縁の各給気用マニホールド孔を、夫々対をなす対向辺縁の排気用マニホールド孔と連通し、且つ、該一辺縁と略平行な方向に複数回折り返して略均一な蛇行幅で蛇行する蛇行状ガス流路が、該一辺縁と略平行な方向に複数並成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 作動温度が１２０〜２００℃であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。

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