JP2008159289A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータ上に設けられるシーリングプレートの位置ずれを抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ上にシーリングプレートを設けた燃料電池であって、前記燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートは、複数の凹凸部を有し、前記燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートのいずれか一方の前記複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の前記凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように嵌合する。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池の技術に関する。

一般的に燃料電池は、電解質膜と、触媒層及び拡散層を含む一対の電極（アノード極及びカソード極）と、電極を挟持する一対の燃料電池用セパレータ（アノード極側セパレータ及びカソード側セパレータ）とを有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。

図１は、一般的な燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図（図２のＢ−Ｂ線断面図）である。図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０を挟持するようにアノード極１２及びカソード極１４を設けた膜−電極アッセンブリ１６と、膜−電極アッセンブリ１６の両外側を挟持する燃料電池用セパレータとしてのアノード極側セパレータ１８及びカソード極側セパレータ２０と、後述するシーリングプレート２２とを備える。アノード極側セパレータ１８とカソード極側セパレータ２０との間、シーリングプレート２２間は、接着剤等のシール材２４によりシールされている。

図２（イ）は、図１に示すアノード極側セパレータ１８側の燃料電池１の正面模式図であり、図２（ロ）は、図１に示すカソード極側セパレータ２０側の燃料電池１の正面模式図である。図２（イ），（ロ）（又は図１）に示すように、アノード極側セパレータ１８及びカソード極側セパレータ２０はそれぞれ、アノードガス流路２６ａ又はカソードガス流路２６ｂと、アノードガスマニホールド２８ａ、２８ｂと、カソードガスマニホールド３０ａ，３０ｂとを備える。さらに、アノード極側セパレータ１８は、アノードガス流路２６ａとアノードガスマニホールド２８ａ，２８ｂとを連通するアノードガス連通路３２ａ，３２ｂとを備える。同様に、カソード極側セパレータ２０は、カソードガス流路２６ｂとカソードガスマニホールド３０ａ，３０ｂとを連通するカソードガス連通路３４ａ，３４ｂとを備える。

アノードガス連通路３２ａ，３２ｂには、凹状のアノードガス連通路溝３３ａが、カソードガス連通路３４ａ，３４ｂには、凹状のカソードガス連通路３３ｂが形成されている。

シーリングプレート２２は、図２に示すアノード極側セパレータ１８及びカソード極側セパレータ２０のアノードガス連通路３２ａ，３２ｂ及びカソードガス連通路３４ａ，３４ｂ上に設けられている。

通常、シーリングプレートに切り欠き部を設け、燃料電池用セパレータ上に凸部を設け、切り欠き部と凸部とを係合させることによって、燃料電池用セパレータ上にシーリングプレートが設置される（例えば、特許文献１，２，３参照）。

しかし、いずれも、シーリングプレートに設けられている切り欠き部は、燃料電池用セパレータの凸部の外周面を覆うようなものではないため、燃料電池の製造時において、シーリングプレートの切り欠き部と燃料電池用セパレータの凸部とを係合させても、燃料電池用セパレータ上に設けられるシーリングプレートの位置がずれてしまう場合がある。

上記位置ずれによって、例えば、シーリングプレートが、図２に示す燃料電池用セパレータのアノードガス又はカソードガス連通路（３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂ）上からアノードガス又はカソードガスマニホールド（２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ）へはみ出した場合、アノードガス又はカソードガスマニホールド（２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ）内を流れる反応ガスの流れを阻害する場合がある。家庭用電源のような定置用電源として燃料電池を使用する場合には、シーリングプレートがアノードガス又はカソードガスマニホールド（２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ）へはみ出すと、反応ガスの流れが阻害され、反応ガスの圧損が高くなり、定置用電源周辺の補機動力が低減する場合がある。

特開２００４−１７９１０９号公報 特開２００１−１１０４３６号公報 特開２００５−２６０６７号公報

本発明は、燃料電池用セパレータ上に設けられるシーリングプレートの位置ずれを抑制することができる燃料電池である。

本発明は、燃料電池用セパレータ上にシーリングプレートを設けた燃料電池であって、
前記燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートは、複数の凹凸部を有し、前記燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートのいずれか一方の前記複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の前記凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように嵌合する。

また、前記燃料電池において、前記複数の凹凸部の数が、前記燃料電池用セパレータと前記シーリングプレートとが対向する面の長手方向に直行する中心線に対して、非対称であることが好ましい。

また、前記燃料電池において、前記複数の凹凸部のうちの凸部は、前記燃料電池用セパレータの連通路溝又は前記シーリングプレートのうち前記燃料電池用セパレータの連通路溝に対向する部分に設けられることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池用セパレータ及びシーリングプレートのいずれか一方の複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように嵌合することによって、燃料電池用セパレータ上に設けられるシーリングプレートの位置ずれを抑制することができる燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図（図４のＢ−Ｂ線断面図）である。図３に示すように、燃料電池３は、電解質膜３６と、アノード極３８と、カソード極４０と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ４２及びカソード極セパレータ４４と、シーリングプレート４６とを備えるものである。アノード極側セパレータ４２とカソード極側セパレータ４４との間は、接着剤等のシール材４７によりシールされている。

図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池セル３は、電解質膜３６の一方の表面にアノード極３８が、もう一方の表面にカソード極４０が、電解質膜３６を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜−電極アッセンブリ４８と、膜−電極アッセンブリ４８の両外側を挟持するアノード極側セパレータ４２及びカソード極側セパレータ４４とを備える。

図４（イ）は、図３に示すアノード極側セパレータ４２側の燃料電池３の正面模式図であり、図４（ロ）は、図３に示すカソード極側セパレータ４４側の燃料電池３の正面模式図である。図４（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ４２及びカソード極側セパレータ４４はそれぞれ、アノードガス流路５０ａ又はカソードガス流路５０ｂと、アノードガスマニホールド５２ａ、５２ｂと、カソードマニホールド５４ａ，５４ｂとを備える。また、アノード極側セパレータ４２及びカソード極側セパレータ４４は、後述する凹凸部（不図示）を有する。

アノードガス流路５０ａ及びカソードガス流路５０ｂは、図３に示すアノード極３８及びカソード極４０に反応ガスを供給するためのものである。

また、図４（イ）に示すように、アノード極側セパレータ４２は、アノードガス流路５０ａとアノードガスマニホールド５２ａ，５２ｂとを連通するアノードガス連通路５６ａ，５６ｂとを備える。同様に、図４（ロ）に示すように、カソード極側セパレータ４４は、カソードガス流路５０ｂとカソードガスマニホールド５４ａ，５４ｂとを連通するカソードガス連通路５８ａ，５８ｂとを備える。

アノードガス連通路５６ａ，５６ｂには、凹状のアノードガス連通路溝６０ａが、カソードガス連通路５８ａ，５８ｂには、凹状のカソードガス連通路溝６０ｂが形成されている。

本実施形態に用いられるアノード極側セパレータ４８、カソード極側セパレータ５０は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。

次に、本実施形態に用いられるシーリングプレートについて説明する。

図５は、図４の点線枠Ｒにおいて燃料電池用セパレータ上に設けられたシーリングプレートの一部透過模式図である。図５に示すように、シーリングプレート４６は、アノード極側セパレータ４２のアノードガス連通路５６ａ上に設けられるものである。同様に、シーリングプレート４６は、図４に示す燃料電池用セパレータ（４２，４４）の連通路（５６ｂ，５８ａ，５８ｂ）上に設けられるものである。

シーリングプレート４６は、後述する凹凸部（図５に示す凹凸部６２（６４））を有するものであれば、シーリングプレートの形状自体は特に制限されるものではない。一例としては、図３に示すように平板上のものが挙げられる。図６は、他の形状のシーリングプレートを用いた本実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。シーリングプレート４６の他の形状としては、例えば、図６に示すように、段差を有するものであってもよい。以下、図３に示すような平板上のシーリングプレート４６を例として説明する。

本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ及びシーリングプレートは、複数の凹凸部を有し、燃料電池用セパレータ及びシーリングプレートのいずれか一方の複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の前記凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように篏合する複数の凹凸部を有する。図７は、図５に示すＡ−Ａ線における燃料電池用セパレータ上に設けられたシーリングプレートの模式断面図である。図７に示すように、アノード極側セパレータ４２の凹凸部６４のうちの凹部６４ａが、シーリングプレート４６の凹凸部６２の内の凸部６２ａの外周面を覆うように篏合されている。

シーリングプレート４６の凹凸部６２とは、凸部（図７に示す凸部６２ａ）のみであってもよいし、凹部のみであってもよいし、凹部及び凸部を有するものであっても良い。燃料電池用セパレータの凹凸部６４も、上記同様であるが、シーリングプレート４６の凹凸部６２が、凸部である場合には、その凸部に対向する燃料電池用セパレータの凹凸部６４は、凹部（図７に示す凹部６４ａ）である。また、シーリングプレート４６の凹凸部６２が、凹部である場合には、その凹部に対向する燃料電池用セパレータの凹凸部６４は、凸部である。さらに、シーリングプレート４６の凹凸部６２が、凹部及び凸部を有する場合には、その凹部に対向する燃料電池用セパレータの凹凸部６４は、凸部であり、その凸部に対向する燃料電池用セパレータの凹凸部６４は、凹部である。本実施形態では、燃料電池用セパレータの凹凸部が凸部であり、シーリングプレートの凹凸部が凹部であるものを例として説明する（例えば図７に示す）。

図７に示すように、アノード極側セパレータ４２の凹部６４ａが、シーリングプレート４６の凸部６２ａの外周面を覆うように篏合するものであれば、凹部（６４ａ）及び凸部（６２ａ）の形状は、特に制限されるものではない。

また、燃料電池用セパレータ（４２，４４）及びシーリングプレート４６の凹凸部（６２，６４）は、燃料電池用セパレータ（４２，４４）とシーリングプレート４６の位置ずれを抑制するために、２個以上設ける必要がある。

このように、燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートのいずれか一方の複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように嵌合することによって、燃料電池の製造時において、燃料電池用セパレータとシーリングプレートとの位置ずれを抑制することができる。

図８は、図４の点線枠Ｒにおいて燃料電池用セパレータ上に設けられたシーリングプレートの他の構成を示す一部透過模式図である。図８に示すように、燃料電池用セパレータ（例えばアノード極側セパレータ４２）及びシーリングプレート４６の凹凸部（６２，６４）の数が、燃料電池用セパレータとシーリングプレート４６とが対向する面の長手方向（図９の矢印Ｃ）に直行する中心線（図９の一点細線Ｄ）に対して非対称であることが好ましい。中心線（図９の一点細線Ｄ）に対して燃料電池用セパレータ及びシーリングプレート４６の凹凸部（６２，６４）の数が非対称であれば、燃料電池用セパレータ及びシーリングプレート４６の凹凸部（６２，６４）の数は、特に限定されるものではない。

このように、中心線に対して燃料電池用セパレータ及びシーリングプレートの凹凸部の数を非対称にすることによって、シーリングプレートと燃料電池用セパレータとの組み付けミスを防ぐことができる。例えば、シーリングプレートの一端（例えば図９に示す矢印Ｅ）を逆側の他端（図９に示す矢印Ｆ）側にして、燃料電池用セパレータに組み付けようとしても、シーリングプレートと燃料電池用セパレータとの凹凸部の数が合わないため、組み付けることが出来ない。シーリングプレートと燃料電池用セパレータとの凹凸部の数が合う状態（図９に示す）でのみ、シーリングプレートと燃料電池用セパレータとを組み付けることができるため、シーリングプレートと燃料電池用セパレータとの組み付け時の組み付けミスを防ぐことができる。組み付けミスとしては、例えば、図６に示すように、シーリングプレート４６が段差を有するものである場合に、シーリングプレート４６の肉厚部４６ａと肉薄部４６ｂとが逆になるように組み付けてしまうと、電極（例えば、アノード極３８）に無理な加重をかける場合がある。本実施形態では、中心線に対して燃料電池用セパレータ及びシーリングプレートの凹凸部の数が非対称であるため、上記のような組み付けミスを防ぐことができる。

燃料電池用セパレータ（例えば、図８に示すアノード極側セパレータ４２）又はシーリングプレート４６の凹凸部（６２，６４）のうちの凸部は、燃料電池用セパレータの連通路溝（例えば、図７に示すアノードガス連通路溝６０ａ）又はシーリングプレート４６のうち燃料電池用セパレータの連通路溝に対向する部分（例えば、図７に示すアノードガス連通路溝６０ａに対向する部分４６ｃ）以外に設けられることが好ましい。燃料電池用セパレータの連通路溝（例えば、図７に示すアノードガス連通路６０ａ）又はシーリングプレート４６のうち燃料電池用セパレータの連通路溝に対向する部分（例えば、図７に示す連通路溝に対向する部分４６ｃ）に凸部を設けると、燃料電池用セパレータの連通路溝の断面積を減らし、連通路溝を通過する反応ガスの流れを阻害する場合がある。

本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ（４２，４４）とシーリングプレート４６との組み付けは、上記のように凹部と凸部を篏合するだけでなく、燃料電池用セパレータ（４２，４４）とシーリングプレート４６との間を接着剤により接着するものであってもよい。通常、燃料電池用セパレータ（４２，４４）の表面には、親水性が付与されている場合が多い。そのため、燃料電池用セパレータ（４２，４４）は、表面張力が高く、燃料電池用セパレータ（４２，４４）に接着剤を塗布して、シーリングプレート４６を組み付けると、接着剤が広がり、上記連通路溝（例えば、図７に示すアノードガス連通路溝６０ａ）内に流れてしまう場合がある。連通路溝内に接着剤が流れてしまうと、接着剤によって連通路溝が塞がれ、連通路溝を通過する反応ガスの流れを阻害する場合がある。本実施形態では、例えば、図７に示すアノード極側セパレータの凹凸部６４のうちの凹部６４ａに接着剤を流し込むことができる。これによって、上記説明したようにシーリングプレート４６を組み付けても、燃料電池用セパレータの表面で無駄に接着剤が広がらないため、接着剤が連通路溝内に流れることを抑制することができる。

本実施形態に用いられるシーリングプレート４６を構成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂等の樹脂等を使用することができる。

本実施形態に用いられるアノード極３８は、アノード極触媒層とアノード極拡散層とを備える。また、カソード極４０は、カソード極触媒層とカソード極拡散層とを備える。

本実施形態に用いられるアノード極拡散層及びカソード極拡散層としては、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。

アノード極側触媒層及びカソード極側触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合してアノード極側拡散層及びカソード極側拡散層、又は電解質膜３６上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。

本実施形態に用いられる電解質膜３６は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的にはナフィオン（登録商標）が挙げられる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池は、燃料電池用セパレータ及びシーリングプレートのいずれか一方の複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように嵌合することによって、燃料電池用セパレータ上に設けられるシーリングプレートの位置ずれを抑制することができる。また、燃料電池用セパレータ及びシーリングプレート４６の凹凸部の数が、燃料電池用セパレータとシーリングプレート４６とが対向する面の長手方向に直行する中心線に対して非対称とすることによって、シーリングプレートと燃料電池用セパレータとの組み付けミスを防ぐことができる。

上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、定置用電源等として使用することができる。

一般的な燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図（図２のＢ−Ｂ線断面図）である。 図１に示すアノード極側セパレータ１８側及びカソード極側セパレータ２０側の燃料電池１の正面模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図（図４のＢ−Ｂ線断面図）である。 図３に示すアノード極側セパレータ４２側及びカソード極側セパレータ４４側の燃料電池３の正面模式図である。 図４の点線枠Ｒにおいて燃料電池用セパレータ上に設けられたシーリングプレートの一部透過模式図である。 他の形状のシーリングプレートを用いた本実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。 図５に示すＡ−Ａ線における燃料電池用セパレータ上に設けられたシーリングプレートの模式断面図である。 燃料電池用セパレータ上に設けられたシーリングプレートの他の構成を示す一部透過模式図である。

符号の説明

１，３ 燃料電池、１０，３６ 電解質膜、１２，３８ アノード極、１４，４０ カソード極、１６，４８ 膜−電極アッセンブリ、１８，４２ アノード極側セパレータ、２０，４４ カソード極側セパレータ、２２ シーリングプレート、２４，４７ シール材、２６ａ，５０ａ アノードガス流路、２６ｂ，５０ｂ カソードガス流路、２８ａ，２８ｂ，５２ａ，５２ｂ アノードガスマニホールド、３０ａ，３０ｂ，５４ａ，５４ｂ カソードガスマニホールド、３２ａ，３２ｂ，５６ａ，５６ｂ アノードガス連通路、３３ａ，６０ａ アノードガス連通路溝、３３ｂ，６０ｂ カソードガス連通路溝、３４ａ，３４ｂ，５８ａ，５８ｂ カソードガス連通路、４６ シーリングプレート、４６ａ 肉厚部、４６ｂ 肉薄部、４６ｃ 連通路溝に対向する部分、６２，６４ 凹凸部、６２ａ 凸部、６４ａ 凹部。

Claims (3)

1. 燃料電池用セパレータ上にシーリングプレートを設けた燃料電池であって、
   前記燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートは、複数の凹凸部を有し、前記燃料電池用セパレータ及び前記シーリングプレートのいずれか一方の前記複数の凹凸部のうちの凹部が、他方の前記凹凸部のうちの凸部の外周面を覆うように嵌合することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、前記複数の凹凸部の数が、前記燃料電池用セパレータと前記シーリングプレートとが対向する面の長手方向に直行する中心線に対して、非対称であることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池であって、前記複数の凹凸部のうちの凸部は、前記燃料電池用セパレータの連通路溝又は前記シーリングプレートのうち前記燃料電池用セパレータの連通路溝に対向する部分以外に設けられることを特徴とする燃料電池。

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