JP2008257930A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の構成部材の変形を吸収することができ、望ましい面圧を電解質膜に与えることのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜７４の両面に電極触媒層７５ａ、７５ｃを形成した膜電極接合体７３と、膜電極接合体７３を挟持するセパレータＳＰと、セパレータＳＰと膜電極接合体７３との間の少なくとも一方に設けられたガス流路部材７８と、を備える。ガス流路部材７８は、複数の流路構成部材を積層することによって構成されている。複数の流路構成部材は、それぞれ凹凸を有する少なくとも２つの凹凸状流路構成部材７８ｗを含むとともに、互いの位置ずれによってガス流路部材７８全体の積層方向の厚みが変化しないように、少なくとも２つの凹凸状流路構成部材７８ｗのそれぞれの間に、少なくとも１つの平板状流路構成部材７８ｐが介挿されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のガス流路部材に関するものである。

近年、水素と酸素とを燃料として発電することのできる燃料電池が注目を集めている。一般に、燃料電池は発電時には高温となり、発電を停止するとその温度は低下する。したがって、燃料電池の構成部材は、発電と停止とによる温度変化によって、膨張したり、あるいは収縮したりする。また電解質膜は、発電反応によって発生した水を含水して膨潤する。このような燃料電池の部材の変形を吸収する技術としては、セパレータに弾性を持たせることによって、部材の変形を吸収することのできる構成とするものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−１０９６４８号公報 特開２００５−１２２９７６号公報 特開２００５−２９３９４４号公報 特開２００４−３１１１５５号公報 特開２００３−２４９２４２号公報

しかし、これらの技術では、燃料電池の構成部材の変形を吸収できても、電解質膜に与える面圧は変化してしまい、望ましい面圧を維持することが困難であるという問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の構成部材の変形を吸収することができ、望ましい面圧を電解質膜に与えることのできる技術を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の一形態による燃料電池は、
燃料電池であって、電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、前記セパレータと前記膜電極接合体との間の少なくとも一方に設けられたガス流路部材と、を備え、
前記ガス流路部材は、複数の流路構成部材を積層することによって構成されており、
前記複数の流路構成部材は、それぞれ凹凸を有する少なくとも２つの凹凸状流路構成部材を含むとともに、互いの位置ずれによって前記ガス流路部材全体の積層方向の厚みが変化しないように構成されている、ことを特徴とする。

以上のように構成された燃料電池によれば、ガス流路部材が複数の流路構成部材によって構成されているので、燃料電池の構成部材の変形を吸収することができ、望ましい面圧を電解質膜に与えることができる。

前記ガス流路部材は、前記少なくとも２つの凹凸状流路構成部材のそれぞれの間に介挿された少なくとも１つの平板状流路構成部材を備える、こととしてもよい。

前記少なくとも２つの凹凸状流路構成部材のうち、互いに接するように配置された任意の２つの凹凸状流路構成部材は、積層方向に投影して見たときに凹凸の少なくとも一部が互いに異なる位置にあるように構成されている、こととしてもよい。

各流路構成部材は、ガスが通り抜けるための穴を有しているか、または、空孔を有する多孔質体で形成されている、こととしてもよい。

このように構成された燃料電池によっても、ガス流路部材を複数の流路構成部材によって構成することができるので、燃料電池の構成部材の変形を吸収することができ、望ましい面圧を電解質膜に与えることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ７０は、発電積層体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。シール部７２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔が設けられており、図１では、空気供給用のマニホールド孔Ｍ３と、空気排出用のマニホールド孔Ｍ４が図示されている。発電積層体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路部材７８，７９と、によって形成されている。アノード側のガス流路部材７８は、水素ガスが通過する流路であり、波形状を有する波状流路構成部材７８ｗと、略平板形状を有する平板状流路構成部材７８ｐと、を交互に積層することによって構成されており、積層方向に圧縮変形することが可能である（以下に詳述する。）。カソード側のガス流路部材７９は、酸素ガスが通過する流路であり、アノード側のガス流路部材７８とは構成が異なる。すなわち、空気中の酸素分圧は約２１％と低いため、各セルアセンブリ７０間に均等に酸素を供給するためには、大量の空気を供給する必要がある。そのため、カソード側のガス流路部材７９は、変形しにくい硬直な金属多孔体によって構成されていることが好ましい。しかし、カソード側のガス流路部材７９は、アノード側のガス流路部材７８と同様の構成とすることも可能である。以下の第２実施例以降においても同様である。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極層触媒７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、例えば、ガス拡散層７６，７７は省略してもよい。また本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。

図２は、第１実施例におけるガス流路部材７８を示す説明図である。図２（Ａ）は、ガス流路部材７８の斜視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示している。ガス流路部材７８は、２枚の波状流路構成部材７８ｗと、それら２枚の波状流路構成部材７８ｗに挟持された平板状流路構成部材７８ｐとによって構成されている。ガス流路部材７８は、少なくとも、燃料電池反応に必要なガスをＭＥＡ７３に送り届ける役割と、燃料電池反応によって発生した電子をセパレータＳＰに伝える役割と、を担っている。ガス流路部材７８としては、導電性を有し、ガスを通過させることのできる種々の部材を用いることができ、例えば、多数の貫通孔を有する金属板や、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体等を用いることができる。本実施例のガス流路部材７８は、チタン製の金属板によって形成されている。なお、図２で示す金属板には、貫通孔が描かれていないが、これは説明のため省略しただけであり、実際の金属板には貫通孔が設けられている。図５以降においても同様である。波状流路構成部材７８ｗは、波状の凹凸部分が弾性を有しているため、電解質膜７４が水分を含んで膨張した場合には、積層方向に圧縮するように変形することができる。この波状流路構成部材７８ｗが積層方向に変形することにより、電解質膜７４の膨張や、燃料電池の他の構成部材の温度変化による線膨張等を吸収することができる。

図３は、ガス流路部材７８の積層方向の変形量と、電解質膜７４がガス流路部材７８から受ける面圧との関係を示すグラフである。図３（Ａ）は、比較例として、ガス流路部材７８が、１枚の波状流路構成部材７８ｗのみによって構成されている場合の特性を示している。ガス流路部材７８が電解質膜７４に与える面圧は、波状流路構成部材７８ｗの変形量とは関係なく略一定となっている領域（以下、「面圧一定領域ＣＰ」とも呼ぶ。）がある。したがって、この面圧一定領域ＣＰの範囲内で波状流路構成部材７８ｗを使用できるように、ガス流路部材７８を構成するとよい。そうすると、電解質膜７４が膨張して、波状流路構成部材７８ｗが変形しても、電解質膜７４が波状流路構成部材７８ｗから受ける面圧を略一定に維持することが可能となる。一定となる面圧は、発電に望ましい面圧に設定しておくことが好ましい。しかし、電解質膜７４の変形が大きいと、波状流路構成部材７８ｗの変形量が大きくなり、面圧一定領域ＣＰを外れてしまうことがある。この場合、電解質膜７４が受ける面圧が必要以上に大きくなってしまい、電解質膜７４が劣化しやすくなるという問題が生じる。

図３（Ｂ）は、図２に示した実施例におけるガス流路部材７８の特性を示している。波状流路構成部材７８ｗを積層方向に２枚重ねると、２枚の波状流路構成部材７８ｗが変形することによって、ガス流路部材７８の変形量を担うことができる。そのため、波状流路構成部材７８ｗを２枚重ねると、面圧一定領域ＣＰは、波状流路構成部材７８ｗが１枚である場合の倍程度となる。したがって、電解質膜７４の膨張によるガス流路部材７８の変形量が大きくなったとしても、面圧一定領域ＣＰは波状流路構成部材７８ｗが一枚である場合よりも大きいため、電解質膜７４が受ける面圧を発電に望ましい略一定の値に維持することが可能となる。

ここで、２枚の波状流路構成部材７８ｗの間に平板状流路構成部材７８ｐが設けられている理由について説明する。平板状流路構成部材７８ｐが設けられていなければ、波状流路構成部材７８ｗの波状の凹凸部の重なり具合によって、２枚の波状流路構成部材７８ｗを合わせた際のガス流路部材７８の積層方向の厚さが異なってしまう。例えば、１枚目の凸部と２枚目の凸部とが重なり合えば、ガス流路部材７８の厚さは大きくなり、逆に１枚目の凸部と２枚目の凹とが重なり合えば、ガス流路部材７８の厚さは小さくなる。ガス流路部材７８の厚さが、各セルアセンブリ７０間で異なってしまうと、ガスがガス流路部材７８を通過する際に生じる圧力損失は、各セルアセンブリ７０間で異なってしまうことになる。

各セルアセンブリ７０には一斉にガスを送り込んでいるため、圧力損失が各セルアセンブリ７０間で異なると、圧力損失が大きいセルアセンブリ７０に合わせてガスを送り込む必要が生じる。すると、圧力損失が小さいセルアセンブリ７０にとっては過剰なガスが流れ込んでしまうことになる。このように、発電に必要な量を超えて過剰なガスを送り込むことは、燃料電池のシステム効率の観点から好ましくない。

しかし、２枚の波状流路構成部材７８ｗの間に平板状流路構成部材７８ｐが設けられていれば、２枚の波状流路構成部材７８ｗの凸部と凹部との位置関係によらず、ガス流路部材７８の厚さを、各セルアセンブリ７０間で等しくすることが可能となる。したがって、各セルアセンブリ７０間でのガス流路部材７８における圧力損失を等しくすることができ、発電に必要な量を超えて過剰なガスを送り込むことがなくなる。

このように、第１実施例では、ガス流路部材７８は、２枚の波状流路構成部材７８ｗと、２枚の波状流路構成部材７８ｗに挟持される１枚の平板状流路構成部材７８ｐとによって構成されているので、電解質膜７４の膨張による変形を吸収することができ、望ましい面圧を電解質膜７４に付与することが可能である。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、ガス流路部材７８の構成が異なっているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。第２実施例におけるガス流路部材７８は、窪み部分を有する第１と第２の窪み流路構成部材７８ａ、７８ｂとによって構成されている。

図５（Ａ）は、第１窪み流路構成部材７８ａの平面図であり、図５（Ｂ）は、第２窪み流路構成部材７８ｂの平面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ），（Ｂ）のＣ−Ｃ断面を示している。第１窪み流路構成部材７８ａと、第２窪み流路構成部材７８ｂとには、積層したときに互いに重ならない位置に窪み部９０が設けられている。窪み部９０は弾性を有するため、第１窪み流路構成部材７８ａと、第２窪み流路構成部材７８ｂとを積層したガス流路部材７８は、積層方向に変形することが可能である。また窪み部９０は、ある程度離して形成することが好ましい。第１窪み流路構成部材７８ａと、第２窪み流路構成部材７８ｂとの位置関係が多少ずれたとしても、窪み部９０同士が重なり合って、ガス流路部材７８全体の厚さが、各セルアセンブリ７０間で異なってしまうことを防ぐことが可能となるためである。

このように、窪み部９０同士が重なり合わないように配置された第１と第２の窪み流路構成部材７８ａ，７８ｂによって、ガス流路部材７８を構成しても、第１実施例と同様に、電解質膜７４の膨張による変形を吸収することができ、発電に望ましい一定の面圧を電解質膜７４に付与することが可能である。

Ｃ．第３実施例：
図６は、第３実施例における第１切り込み流路構成部材７８ｃと、第２切り込み流路構成部材７８ｄとを示す説明図である。図５に示した第２実施例との違いは、窪み部９０が形成されている代わりに、切り込み部１００が形成されているという点だけであり、他の構成は第２実施例と同じである。

このような構成としても、第２実施例と同様に、電解質膜７４の膨張による変形を吸収することができ、望ましい面圧を電解質膜７４に付与することが可能である。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例では、２枚の波状流路構成部材７８ｗの間に平板状流路構成部材７８ｐを設けていたが、この代わりに、平板状流路構成部材７８ｐを設けず、２枚の波状流路構成部材７８ｗの波形状の凹凸が重ならないような構成とすることも可能である。例えば、１枚目の波状流路構成部材７８ｗの波方向と、２枚目の波状流路構成部材７８ｗの波方向とが略垂直になるように、２枚の波状流路構成部材７８ｗを配置すればよい。略垂直でなくても、２枚の波状流路構成部材７８ｗの波方向が異なっていればよい。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例における窪み部９０や切り込み部１００の配置は一例であり、これらの弾性部分の配置は、積層方向に投影して見たときに凹凸の少なくとも一部が互いに異なる位置にあるように構成されていればよい。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例において、弾性部分の形状は、波形状、窪み形状、あるいは切り込み形状によって構成されていたが、これらの形状は一例であり、弾性部分は、任意の形状で構成することが可能である。

Ｄ４．変形例４：
上記第１実施例では、ガス流路部材７８は、２枚の波状流路構成部材７８ｗと、１枚の平板状流路構成部材７８ｐとによって構成されていたが、３枚以上の波状流路構成部材７８ｗによってガス流路部材７８を構成することも可能である。この場合にも、２枚の波状流路構成部材７８ｗの間に、それぞれ１枚の平板状流路構成部材７８ｐを介挿させることが好ましい。また、上記第２、第３実施例における流路構成部材を３枚以上用いて、ガス流路部材７８を構成することも可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す説明図である。 第１実施例におけるガス流路部材を示す説明図である。 ガス流路部材の積層方向の変形量と電解質膜がガス流路部材から受ける面圧との関係を示すグラフである。 第２実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。 第２実施例における第１窪み流路構成部材と第２窪み流路構成部材とを示す説明図である。 第３実施例における第１切り込み流路構成部材と第２切り込み流路構成部材とを示す説明図である。

符号の説明

７０…セルアセンブリ
７１…発電積層体
７２…シール部
７４…電解質膜
７５…電極層触媒
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６…ガス拡散層
７８…ガス流路部材
７８ｐ…平板状流路構成部材
７８ｗ…波状流路構成部材
７８ａ…第１窪み流路構成部材
７８ｂ…第２窪み流路構成部材
７８ｃ…第１切り込み流路構成部材
７８ｄ…第２切り込み流路構成部材
７９…ガス流路部材
９０…窪み部
１００…切り込み部
Ｍ３…マニホールド孔
Ｍ４…マニホールド孔
ＳＰ…セパレータ
ＣＰ…面圧一定領域
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、
   前記セパレータと前記膜電極接合体との間の少なくとも一方に設けられたガス流路部材と、
   を備え、
   前記ガス流路部材は、複数の流路構成部材を積層することによって構成されており、
   前記複数の流路構成部材は、それぞれ凹凸を有する少なくとも２つの凹凸状流路構成部材を含むとともに、互いの位置ずれによって前記ガス流路部材全体の積層方向の厚みが変化しないように構成されている、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路部材は、
   前記少なくとも２つの凹凸状流路構成部材のそれぞれの間に介挿された少なくとも１つの平板状流路構成部材を備える、
   燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記少なくとも２つの凹凸状流路構成部材のうち、互いに接するように配置された任意の２つの凹凸状流路構成部材は、積層方向に投影して見たときに凹凸の少なくとも一部が互いに異なる位置にあるように構成されている、
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
   各流路構成部材は、ガスが通り抜けるための穴を有しているか、または、空孔を有する多孔質体で形成されている、
   燃料電池。

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